Разное

Как образуется метан: Свойства метана – физико-химическая основа молекулы

alexxlab -- 26.03.202103.03.2021

Комментариев к записи Как образуется метан: Свойства метана – физико-химическая основа молекулы нет

Содержание

Метан нахождение в природе — Справочник химика 21

Метан, нахождение его в природе, свойства и использование [c.34]

Нахождение в природе. Предельные углеводороды широко распространены в природе. В большом количестве они содержатся в нефти. Низшие углеводороды, главным образом метан, в основном составляют природные газы. Метан образуется при разложении органических веществ без доступа кислорода. Он выделяется со дна болот, а также из каменноугольных пластов в рудниках. Накопление метана часто является причиной взрывов в шахтах, так как метан с воздухом образует взрывчатые смеси. [c.124]

Нахождение в природе. Простейший по своему составу углеводород, метан СН4, встречается в природе в значительных количествах. Метан образуется в природе в результате разложения органических веществ без доступа воздуха, например в рудниках, на дне болот. Поэтому его и называют болотным, или рудничным, газом.

[c.27]

Условия и процессы образования природного газа (ПГ) исключительно разнообразны биохимические и термокаталитические превращения органического вещества (ОВ) химические реакции процессы, протекающие при воздействии на горные породы высоких температур и давлений радиоактивный распад и др. Образующиеся при этом газы по химическому составу весьма различны. Нередко одни и те же процессы приводят к образованию газовых смесей неодинакового состава. Часто одни и те же компоненты способны образовываться за счет разных процессов. Например, метан, азот, оксид углерода(1У) могут быть биохимического генезиса и термокаталитического (абиогенного). Отличить компоненты по генетическому признаку часто практически невозможно. Обладая высокой подвижностью, газы в процессе миграции могут значительно изменять свой первоначальный химический состав в результате процессов сорбции, растворения, окисления и др. В связи с этим генетически чистые ассоциации (скопления) газов в природе практически отсутствуют.

Это создает определенные трудности при систематизации ПГ и создании оптимального варианта их классификации. В настоящее время существует более 20 различных классификационных схем, основанных на различиях в происхождении газов, условиях нахождения их в природе, фазовом состоянии и формах проявления, связях газов с породами и флюидами, химическом составе и т. д. Выбор той или иной классификации зависит от полей и задач исследований. Наиболее важными при решении общих и глобальных задач являются генетические [c.20]

Простейший парафиновый углеводород — метан СН — известен под различными названиями, указывающими на его нахождение в природе. Название болотный газ связано с образованием метана при гниении растительных веществ на дне болот. Скопления метана нередко можно встретить в залежах каменного угля, откуда и происходит его название рудничный газ. Накапливаясь в шахтах, он может служить причиной опасных взрывов.

[c.57]

В рамках аддитивной схемы влияние непосредственно не связанных атомов может быть в значительной мере учтено введением представления о подтипах связей, определяемых числом и природой соседних атомов.

Так, для простой связи С—С в парафинах можно установить 10 подтипов, в зависимости от того, являются ли связанные углеродные атомы первичными, вторичными, третичными или четвертичными. Для связи С—Н в парафинах следует различать четыре подтипа —Н, —Н, С —Н (индексы соответствуют первичным, вторичным и третичным углеродным атомам) и —Н (в метане). К сожалению, расчет рефракций связей всех упомянутых 14 подтипов на основании экспериментальных данных для парафиновых углеводородов невозможен. Действительно, для нахождения 14 констант надо было бы располагать 14 независимыми уравнениями. Между тем, число связей С—Нкаждого подтипа полностью определяется набором подтипов связей С—С (углеродным скелетом), а следовательно, для расчета рефракций связей в парафинах мы можем располагать лишь 10 независимыми уравнениями и определить только 10 расчетных констант вместо подлежащих определению 14 связевых постоянных.
[c.79]

Метан: способы получения и свойства

Метан CH₄– это предельный углеводород, содержащий один атом углерода в углеродной цепи. Бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воды, нерастворим в воде и не смешивается с ней.

Все алканы — вещества, схожие по физическим и химическим свойствам, и отличающиеся на одну или несколько групп –СН

2– друг от друга. Такие вещества называются гомологами, а ряд веществ, являющихся гомологами, называют гомологическим рядом.

Самый первый представитель гомологического ряда алканов – метан CH₄, или Н–СH₂–H.

Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН₂– в углеводородную цепь алкана.

Название алкана	Формула алкана
Метан	CH₄
Этан	C₂H₆
Пропан	C₃H₈
Бутан	C₄H₁₀
Пентан	C₅H₁₂
Гексан	C₆H₁₄
Гептан	C₇H₁₆
Октан	C₈H₁₈
Нонан	C₉H₂₀
Декан	C₁₀H₂₂

Общая формула гомологического ряда алканов C_nH_2n+2.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C₅–C₁₇ – жидкости, начиная с C₁₈ – твердые вещества.

В молекуле метана встречаются связи C–H. Связь C–H ковалентная слабополярная. Это одинарная σ-связь. Атом углерода в метане образует четыре σ-связи. Следовательно, гибридизация атома углерода в молекуле метана– sp³:

При образовании связи С–H происходит перекрывание sp³-гибридной орбитали атома углерода и s-орбитали атома водорода:

Четыре sp³-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был

максимально возможным.

Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в алканах направлены в пространстве под углом 109^о 28′ друг к другу:

Это соответствует тетраэдрическому строению молекулы.

Например, в молекуле метана CH₄ атомы водорода располагаются в пространстве в вершинах тетраэдра, центром которого является атом углерода

Для метана не характерно наличие изомеров – ни структурных (изомерия углеродного скелета, положения заместителей), ни пространственных.

Метан – предельный углеводород, поэтому он не может вступать в реакции присоединения.

Для метана характерны реакции:

разложения,
замещения,
окисления.

Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.

Поэтому для метана характерны только радикальные реакции.

Метан устойчив к действию сильных окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂O₇ и др. ), не реагирует с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.

1. Реакции замещения

Для метана характерны реакции радикального замещение.

1.1. Галогенирование

Метан реагирует с хлором и бромом на свету или при нагревании.

При хлорировании метана сначала образуется хлорметан:

Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:

Химическая активность хлора выше, чем активность брома, поэтому хлорирование протекает быстро и неизбирательно.

Бромирование протекает более медленно.

Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму.

Свободные радикалы R∙ – это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон.

Первая стадия. Инициирование цепи.

Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала:

Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом.

Вторая стадия. Развитие цепи.

Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород.

При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора:

Третья стадия. Обрыв цепи.

При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается.

Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала:

1.2. Нитрование метана

Метан взаимодействует с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании до 140^оС и под давлением. Атом водорода в метане замещается на нитрогруппу NO₂.

Например. При нитровании метана образуется преимущественно нитрометан:

CH₄ + HNO₃ = CH₃NO₂ + H₂O

2. Реакции разложения метана (дегидрирование, пиролиз)

При медленном и длительном нагревании до 1500^оС метан разлагается до простых веществ:

Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен:

Пиролиз метана – промышленный способ получения ацетилена.

3. Окисление метана

Алканы – малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др. ).

3.1. Полное окисление – горение

Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Q

Уравнение сгорания алканов в общем виде:

C_nH_2n+2 + (3n+1)/2O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O + Q

При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода:

CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

Эта реакция используется для получения сажи.

3.2. Каталитическое окисление

При каталитическом окислении метана кислородом возможно образование различных продуктов в зависимости от условий проведения процесса и катализатора. Возможно образование метанола, муравьиного альдегида или муравьиной кислоты:

Важное значение в промышленности имеет паровая конверсия метана: окисление метана водяным паром при высокой температуре.

Продукт реакции – так называемый «синтез-газ».

1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

Это один из лабораторных способов получения алканов. При этом происходит удвоение углеродного скелета. Реакция больше подходит для получения симметричных алканов. Получить таким образом метан нельзя.

2. Водный или кислотный гидролиз карбида алюминия

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Al₄C₃ + 12HCl = 4AlCl₃ + 3CH₄

Этот способ получения используется в лаборатории для получения метана.

3. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)

Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

R–COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe) соли органической кислоты.

При взаимодействии ацетата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуется метан и карбонат натрия:

4. Синтез Фишера-Тропша

Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды:

nCO + (3n+1)H₂ = C_nH_2n+2 + nH₂O

Это промышленный процесс получения алканов.

Синтезом Фишера-Тропша можно получить метан:

CO + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O

5. Получение метана в промышленности

В промышленности метан получают из нефти, каменного угля, природного и попутного газа. При переработке нефти используют ректификацию, крекинг и другие способы.

Метан, структурная формула, химические свойства, получение

1,008

1s¹

2,1

Бесцветный газ

t°_пл=-259°C

t°_кип=-253°C

4,0026

1s²

4,5

Бесцветный газ

t°_кип=-269°C

6,941

2s¹

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=180°C

t°_кип=1317°C

9,0122

2s²

1,57

Светло-серый металл

t°_пл=1278°C

t°_кип=2970°C

10,811

2s² 2p¹

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

t°_пл=2300°C

t°_кип=2550°C

12,011

2s² 2p²

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

t°_пл=3550°C

t°_кип=4830°C

14,007

2s² 2p³

3,04

Бесцветный газ

t°_пл=-210°C

t°_кип=-196°C

15,999

2s² 2p⁴

3,44

Бесцветный газ

t°_пл=-218°C

t°_кип=-183°C

18,998

2s² 2p⁵

3,98

Бледно-желтый газ

t°_пл=-220°C

t°_кип=-188°C

20,180

2s² 2p⁶

4,4

Бесцветный газ

t°_пл=-249°C

t°_кип=-246°C

22,990

3s¹

0,98

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=98°C

t°_кип=892°C

24,305

3s²

1,31

Серебристо-белый металл

t°_пл=649°C

t°_кип=1107°C

26,982

3s² 3p¹

1,61

Серебристо-белый металл

t°_пл=660°C

t°_кип=2467°C

28,086

3s² 3p²

1,9

Коричневый порошок / минерал

t°_пл=1410°C

t°_кип=2355°C

30,974

3s² 3p³

2,2

Белый минерал / красный порошок

t°_пл=44°C

t°_кип=280°C

32,065

3s² 3p⁴

2,58

Светло-желтый порошок

t°_пл=113°C

t°_кип=445°C

35,453

3s² 3p⁵

3,16

Желтовато-зеленый газ

t°_пл=-101°C

t°_кип=-35°C

39,948

3s² 3p⁶

4,3

Бесцветный газ

t°_пл=-189°C

t°_кип=-186°C

39,098

4s¹

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=64°C

t°_кип=774°C

40,078

4s²

1,0

Серебристо-белый металл

t°_пл=839°C

t°_кип=1487°C

44,956

3d¹ 4s²

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

t°_пл=1539°C

t°_кип=2832°C

47,867

3d² 4s²

1,54

Серебристо-белый металл

t°_пл=1660°C

t°_кип=3260°C

50,942

3d³ 4s²

1,63

Серебристо-белый металл

t°_пл=1890°C

t°_кип=3380°C

51,996

3d⁵ 4s¹

1,66

Голубовато-белый металл

t°_пл=1857°C

t°_кип=2482°C

54,938

3d⁵ 4s²

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

t°_пл=1244°C

t°_кип=2097°C

55,845

3d⁶ 4s²

1,83

Серебристо-белый металл

t°_пл=1535°C

t°_кип=2750°C

58,933

3d⁷ 4s²

1,88

Серебристо-белый металл

t°_пл=1495°C

t°_кип=2870°C

58,693

3d⁸ 4s²

1,91

Серебристо-белый металл

t°_пл=1453°C

t°_кип=2732°C

63,546

3d¹⁰ 4s¹

1,9

Золотисто-розовый металл

t°_пл=1084°C

t°_кип=2595°C

65,409

3d¹⁰ 4s²

1,65

Голубовато-белый металл

t°_пл=420°C

t°_кип=907°C

69,723

4s² 4p¹

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=30°C

t°_кип=2403°C

72,64

4s² 4p²

2,0

Светло-серый полуметалл

t°_пл=937°C

t°_кип=2830°C

74,922

4s² 4p³

2,18

Зеленоватый полуметалл

t°_субл=613°C

(сублимация)

78,96

4s² 4p⁴

2,55

Хрупкий черный минерал

t°_пл=217°C

t°_кип=685°C

79,904

4s² 4p⁵

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

t°_пл=-7°C

t°_кип=59°C

83,798

4s² 4p⁶

3,0

Бесцветный газ

t°_пл=-157°C

t°_кип=-152°C

85,468

5s¹

0,82

Серебристо-белый металл

t°_пл=39°C

t°_кип=688°C

87,62

5s²

0,95

Серебристо-белый металл

t°_пл=769°C

t°_кип=1384°C

88,906

4d¹ 5s²

1,22

Серебристо-белый металл

t°_пл=1523°C

t°_кип=3337°C

91,224

4d² 5s²

1,33

Серебристо-белый металл

t°_пл=1852°C

t°_кип=4377°C

92,906

4d⁴ 5s¹

1,6

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2468°C

t°_кип=4927°C

95,94

4d⁵ 5s¹

2,16

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2617°C

t°_кип=5560°C

98,906

4d⁶ 5s¹

1,9

Синтетический радиоактивный металл

t°_пл=2172°C

t°_кип=5030°C

101,07

4d⁷ 5s¹

2,2

Серебристо-белый металл

t°_пл=2310°C

t°_кип=3900°C

102,91

4d⁸ 5s¹

2,28

Серебристо-белый металл

t°_пл=1966°C

t°_кип=3727°C

106,42

4d¹⁰

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1552°C

t°_кип=3140°C

107,87

4d¹⁰ 5s¹

1,93

Серебристо-белый металл

t°_пл=962°C

t°_кип=2212°C

112,41

4d¹⁰ 5s²

1,69

Серебристо-серый металл

t°_пл=321°C

t°_кип=765°C

114,82

5s² 5p¹

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=156°C

t°_кип=2080°C

118,71

5s² 5p²

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=232°C

t°_кип=2270°C

121,76

5s² 5p³

2,05

Серебристо-белый полуметалл

t°_пл=631°C

t°_кип=1750°C

127,60

5s² 5p⁴

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

t°_пл=450°C

t°_кип=990°C

126,90

5s² 5p⁵

2,66

Черно-серые кристаллы

t°_пл=114°C

t°_кип=184°C

131,29

5s² 5p⁶

2,6

Бесцветный газ

t°_пл=-112°C

t°_кип=-107°C

132,91

6s¹

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

t°_пл=28°C

t°_кип=690°C

137,33

6s²

0,89

Серебристо-белый металл

t°_пл=725°C

t°_кип=1640°C

138,91

5d¹ 6s²

1,1

Серебристый металл

t°_пл=920°C

t°_кип=3454°C

140,12

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=798°C

t°_кип=3257°C

140,91

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=931°C

t°_кип=3212°C

144,24

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1010°C

t°_кип=3127°C

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

t°_пл=1080°C

t°_кип=2730°C

150,36

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1072°C

t°_кип=1778°C

151,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=822°C

t°_кип=1597°C

157,25

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1311°C

t°_кип=3233°C

158,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1360°C

t°_кип=3041°C

162,50

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1409°C

t°_кип=2335°C

164,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1470°C

t°_кип=2720°C

167,26

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1522°C

t°_кип=2510°C

168,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1545°C

t°_кип=1727°C

173,04

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=824°C

t°_кип=1193°C

174,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1656°C

t°_кип=3315°C

178,49

5d² 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2150°C

t°_кип=5400°C

180,95

5d³ 6s²

Серый металл

t°_пл=2996°C

t°_кип=5425°C

183,84

5d⁴ 6s²

2,36

Серый металл

t°_пл=3407°C

t°_кип=5927°C

186,21

5d⁵ 6s²

Серебристо-белый металл

t°_пл=3180°C

t°_кип=5873°C

190,23

5d⁶ 6s²

Серебристый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=3045°C

t°_кип=5027°C

192,22

5d⁷ 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2410°C

t°_кип=4130°C

195,08

5d⁹ 6s¹

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1772°C

t°_кип=3827°C

196,97

5d¹⁰ 6s¹

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

t°_пл=1064°C

t°_кип=2940°C

200,59

5d¹⁰ 6s²

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

t°_пл=-39°C

t°_кип=357°C

204,38

6s² 6p¹

Серебристый металл

t°_пл=304°C

t°_кип=1457°C

207,2

6s² 6p²

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

t°_пл=328°C

t°_кип=1740°C

208,98

6s² 6p³

Блестящий серебристый металл

t°_пл=271°C

t°_кип=1560°C

208,98

6s² 6p⁴

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=254°C

t°_кип=962°C

209,98

6s² 6p⁵

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=302°C

t°_кип=337°C

222,02

6s² 6p⁶

2,2

Радиоактивный газ

t°_пл=-71°C

t°_кип=-62°C

223,02

7s¹

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=27°C

t°_кип=677°C

226,03

7s²

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=700°C

t°_кип=1140°C

227,03

6d¹ 7s²

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=1047°C

t°_кип=3197°C

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

t°_пл=1132°C

t°_кип=3818°C

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

267

6d² 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

268

6d³ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

269

6d⁴ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

270

6d⁵ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

277

6d⁶ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

278

6d⁷ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

281

6d⁹ 7s¹

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

Откуда взялся природный газ. Две теории газа.

Многие ли в наше время могут сразу дать определение природному газу? Знают ли его историю и химический состав? Очевидно нет, ведь в Google найдется все.

Итак.

Природный газ — смесь углеводородов, представляющая собой нечто эфемерное, то, что нельзя потрогать, увидеть и без запаха. Основу природного газа составляет метан (Ch5) — простейший углеводород (органическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода). Обычно в его состав также входят более тяжелые углеводороды, гомологи метана: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4h20) и некоторые неуглеводородные примеси.

В поисках истины.

Ученые до сих пор не могут прийти к единому мнению относительно происхождения природного газа, и своем споре разбились на два лагеря, пытаясь доказать возникновение газа, предложили две основные теории.

Минеральная теория

Согласно этой теории все химические элементы, из которых состоит природный газ и нефть изначально заложены в мантии Земли, представляя собой залежи полезных ископаемых. находясь глубоко в пластах горных пород являются частью процесса дегазации Земли. Из-за внутренних движений Земли углеводороды, находящиеся на больших глубинах поднимаются ближе к поверхности, туда, где образуется наименьшее давление, таким образом, в результате появляются нефтяные и газовые залежи.

Биогенная теория.

Приверженцы этой теории считают, что природный газ образовался из остатков растительных и животных организмов, вымерших в конце палеозойской эры, которые под действием бактерий, высокого давления и температуры превратились в смесь газообразных углеродов. Именно биохимические процессы и обеспечили химический коктейль природного газа: 80-98% метана, 2-3% его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана, пентана, а также небольшое количество примесей – сероводорода, углекислого газа, азота.

Газ видишь? Нет. А он есть.

Большинство людей, далеких от газовой отрасли, представляют, что газ, находящийся под землей подобен ценным ископаемым, занимает собой некие пустоты в недрах земли, и легко полностью извлекается. Но это не совсем верно. Природный газ действительно находится глубоко под землей, внутри горных пород, имеющих пористую структуру, но поры на столько микроскопические, что их невооружённым глазом разглядеть почти нереально. Поэтому, взяв в руки извлеченный из недр земли небольшой кусок песчаника, сложно осознать, что внутри заключен природный газ.

Священный огонь.

Древний зороастрийский храм Атешгях

У многих народов огонь вызывал благоговейный трепет. Люди поклонялись огню, огонь любили, огонь ненавидели.

Человечество знает о существовании природного газа давно. И, хотя уже в IV веке до н. э. в Китае его научились использовать для отопления и освещения, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов. Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, почитаемый в разное время зороастрийцами, индуистами и сикхами. Храм возник на месте «вечных» неугасимых огней — горящих выходов естественного газа, благодаря чему храм и носит название «Атешгях», что означает «Дом огня». Служения в нем проходили вплоть до XIX века. Однако, сами зороастрийцы говорят, что они не поклоняются огню как таковому, а почитают Творца (Q’rt’), символом которого является огонь.

Добыть и использовать.

«Человечеству всего около 200 тыс. лет. А добыча газа началась только в прошлом веке»

Человек всегда и везде ищет выгоду. Вот и персидский царь в I веке н.э., увидев огонь, горевший и день и ночь, не требующий дополнительного топлива приказал построить дворцовую кухню на месте где газ выходил на поверхность. Природный газ впервые применили в 1821 году в городе Фредония, штат Нью-Йорк.

На заметку: Общая протяженность газопроводов в России в два раза больше, чем расстояние от Земли до Луны или в 20 раз больше, чем протяженность экватора.

Добыча угольного газа

Как можно добывать природный газ из угольных пластов

Предложения «Газпрома» о мерах по стимулированию добычи угольного газа

Перспективный газ

В недрах осваиваемых и перспективных угольных бассейнов сосредоточена не только значительная часть мировых ресурсов углей, но и их спутника — метана, масштабы ресурсов которого соизмеримы с ресурсами газа традиционных месторождений мира. Концентрация метана в смеси природных газов угольных пластов составляет 80–98%.

Научно обоснованная оценка роли угольных пластов как крупнейших мест накопления метана в земной коре открывает новые большие перспективы в увеличении ресурсов углеводородных газов. Метан, который является наиболее опасным спутником угля, становится ценным полезным ископаемым, подлежащим самостоятельной промысловой добыче или попутному извлечению в шахтах при комплексной поэтапной эксплуатации газоносных угольных месторождений.

Особенность разработки метаноугольных месторождений

Существуют два принципиально разных способа добычи угольного метана: шахтный (на полях действующих шахт) и скважинный.

Шахтный способ является неотъемлемой частью технологии подземной добычи угля — дегазации. Объемы получаемого метана при этом невелики, и газ используется, в основном, для собственных нужд угледобывающих предприятий непосредственно в районе угледобычи.

Скважинный способ добычи является промышленным. Метан при этом рассматривается уже не как попутный продукт при добыче угля, а как самостоятельное полезное ископаемое. Разработка метаноугольных месторождений с добычей метана в промышленных масштабах производится с применением специальных технологий интенсификации газоотдачи пластов (самые распространенные варианты — гидроразрыв пласта, закачка через скважину воздуха или воздухо-воздушной смеси, воздействие на пласт током).

Следует отметить, что для добычи метана пригодны далеко не все угли. Так, месторождения длиннопламенных бурых углей бедны метаном. Высокой концентрацией газа отличается уголь-антрацит, но его невозможно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости залежи. Самыми перспективными для добычи метана считаются угли, занимающие промежуточное положение между бурыми углями и антрацитом. Именно такой уголь залегает в Кузбассе, где, в рамках выполнения поручения Президента Российской Федерации, «Газпром» активно участвует в реализации инновационного проекта по добыче угольного газа.

Российские прогнозные ресурсы угольного метана

Прогнозные ресурсы метана в основных угольных бассейнах России оцениваются в 83,7 трлн куб. м, что соответствует примерно трети прогнозных ресурсов природного газа страны. Особое место среди угольных бассейнов России принадлежит Кузбассу, который по праву можно считать крупнейшим из наиболее изученных метаноугольных бассейнов мира. Прогнозные ресурсы метана в кузбасском бассейне оцениваются более чем в 13 трлн куб. м.

Данная оценка ресурсов углей и метана соответствует глубине 1800–2000 м. Большие глубины угольного бассейна сохраняют на отдаленную перспективу огромное количество метана, которое оценивается в 20 трлн куб. м. Такая сырьевая база Кузбасса обеспечивает возможность крупномасштабной добычи метана (вне шахтных полей) как самостоятельного полезного ископаемого.

Международный опыт добычи угольного газа

Необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждается опытом освоения метаноугольных промыслов в США, которые занимают лидирующее положение в мире по уровню развития «новой газовой отрасли». Также промышленная добыча метана из угольных пластов ведется в Австралии, Канаде и Китае.

Современный опыт добычи угольного газа в России

До недавнего времени в России метан из угольных пластов извлекался только попутно, на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 0,5 млрд куб. м метана в год.

В 2003 г. «Газпром» приступил к реализации проекта по оценке возможности промышленной добычи метана из угольных пластов в Кузбассе. Лицензией на поиск, разведку и добычу метана угольных пластов в пределах Южно-Кузбасской группы угольных месторождений обладает ООО «Газпром добыча Кузнецк» — первая и единственная компания в России, добывающая метан угольных пластов. Компания разрабатывает два метаноугольных промысла, площадь лицензионного отвода составляет 6 тыс кв. км до глубины 2 км, оценка ресурсов метана угольных пластов — 5,7 трлн куб. м.

Стабильный уровень добычи метана угольных пластов в Кузбассе планируется в объеме 4 млрд куб. м в год. В долгосрочной перспективе — 18–21 млрд куб. м в год.

Талдинское месторождение

В 2005 году на Талдинском месторождении был создан научный полигон по отработке технологии добычи метана из угольных пластов. Здесь учеными АО «Газпром промгаз» была разработана технология добычи угольного газа. На весь технологический цикл — от разведки угольного газа до его использования — получен 31 патент международного и российского образца. При этом две трети оборудования, применяющегося при реализации экспериментального проекта, — отечественного производства.

В 2008–2009 годах на восточном участке Талдинского месторождения было пробурено восемь скважин. В 2010 году началась пробная эксплуатация разведочных скважин с подачей газа на автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. В результате пробной эксплуатации были получены необходимые параметры для перевода ресурсов метана в запасы промышленных категорий, отработаны технологии освоения скважин, сбора и подготовки газа, необходимые для разработки первоочередных участков и площадей в Кузбассе.

12 февраля 2010 года «Газпром» запустил на Талдинском месторождении первый в России промысел по добыче угольного газа.

Утвержденные запасы метана по Талдинскому промыслу составляют 74,2 млрд куб. м (в том числе 4,77 млрд куб. м категории С1 и 69 млрд куб. м категории С2). В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся 6 эксплуатационных скважин.

В 2014 году на Талдинском промысле было добыто 2,8 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — почти 16 млн куб. м.

В декабре 2010 и феврале 2011 были введены в эксплуатацию две газопоршневые электростанции (ГПЭС), работающие на метане угольных пластов на Талдинском месторождении. Ввод двух ГПЭС позволил подать электроэнергию на подстанцию Талдинского угольного разреза, на строящиеся шахты «Жерновская-1» и «Жерновская-3», а также обеспечить электроэнергией газовые промыслы на Талдинском месторождении и Нарыкско-Осташкинской площади.

«Газпром» также приступил к освоению Нарыкско-Осташкинской площади Южно-Кузбасской группы месторождений. Ресурсы метана площади предварительно оцениваются в 800 млрд куб. м.

В 2014 году на этом промысле было добыто 4,5 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — 9,4 млн куб. м.

Новый вид полезного ископаемого

В ноябре 2011 года метан угольных пластов был признан самостоятельным полезным ископаемым и внесен в Общероссийский классификатор полезных ископаемых и подземных вод.

Объективные причины необходимости добычи угольного газа в России

Благоприятные геологические особенности и условия газоносности угольных бассейнов в России являются объективной предпосылкой организации, прежде всего, в Кузбассе, а затем и в других угольных бассейнах, широкомасштабной добычи метана как самостоятельного полезного ископаемого.

Необходимость организации метаноугольных промыслов в Кузбассе обусловлена следующими факторами:

наличием крупномасштабных залежей метана в угольных бассейнах России;
наличием современных передовых эффективных технологий промысловой добычи метана из угольных пластов, широко применяемых в последние годы за рубежом;
наличием в России научно-технического потенциала, способного координировать и осуществлять научные разработки по данной теме.

Среди регионов России, не обеспеченных в достаточном объеме газовым топливом, ряд угледобывающих регионов мог бы полностью покрыть свои потребности в газе за счет широкомасштабной добычи метана из угольных пластов. Кроме того, добыча и использование газа улучшит экологическую обстановку в углепромышленных районах, снизит газоопасность добычи угля в будущих шахтах и создаст новые рабочие места на газовых промыслах и газоперерабатывающих предприятиях.

Почему метан — недооцененный парниковый газ и как его выбросы отслеживают ученые

Метан — еще один важный парниковый газ, удерживающий тепло в атмосфере. Однако его влиянию на экологию и климат уделяется гораздо меньше внимания, чем другим углеродным выбросам. При этом потенциал глобального потепления от метана в 30 раз больше, чем у диоксида углерода. Рассказываем, откуда берется метан и почему он опаснее углекислого газа, в каких странах его больше всего, как ученые отслеживают его утечки и почему модели загрязнения атмосферы метаном гораздо сложнее рассчитать.

Откуда берется метан и почему он опасен?

В 2018 году на метан (CH₄) около 9,5% всех выбросов парниковых газов в США приходилось на результаты деятельности человека. Деятельность человека в вопросе выбросов метана включает в себя утечки из систем добычи природного газа и разведение домашнего скота. Метан также выделяется из природных источников, таких как естественные водно-болотные угодья. Кроме того, естественные процессы в почве и химические реакции в атмосфере помогают удалить CH₄ из атмосферы. Время жизни метана в атмосфере намного короче, чем у диоксида углерода (CO₂ ), но CH₄ более эффективно улавливает излучение. Сравнительное воздействие CH₄ в 25 раз больше, чем CO₂ за 100-летний период.

Во всем мире от 50 до 65% общих выбросов CH₄ приходится на деятельность человека.

Сельское хозяйство. Домашний скот — крупный рогатый скот, свиньи, овцы и козы — вырабатывает метан как часть нормального процесса пищеварения. Кроме того, это газ образуется при хранении или обработке навоза. Поскольку люди выращивают этих животных для еды и других продуктов, выбросы считаются связанными с деятельностью человека. При объединении выбросов домашнего скота и навоза сельскохозяйственный сектор является крупнейшим источником выбросов метана.
Энергетика и промышленность. Системы природного газа и нефти являются вторым по величине источником выбросов метана. Этот газ — основной компонент природного газа В США. Метан выбрасывается в атмосферу при производстве, переработке, хранении, транспортировке и распределении природного газа, а также при производстве, переработке, транспортировке и хранении сырой нефти. Добыча угля также является источником выбросов CH₄.
Отходы домов и предприятий. Метан образуется на свалках при разложении отходов и при очистке сточных вод. Свалки являются третьим по величине источником выбросов CH₄ в США. Метан также образуется при очистке бытовых и промышленных сточных вод и при компостировании.

Метан, кроме того, выделяется из ряда природных источников. Природные водно-болотные угодья являются крупнейшим источником выбросов CH₄ от бактерий, разлагающих органические материалы в отсутствие кислорода. Меньшие источники включают термиты, океаны, отложения, вулканы и лесные пожары.

Как снизить выбросы метана?

Есть несколько способов уменьшить выбросы метана. EPA — Агентство по охране окружающей среды США — располагает рядом добровольных программ по сокращению выбросов CH₄ в дополнение к нормативным инициативам. Кроме того, компания поддерживает Глобальную инициативу по метану. Это международное партнерство, поощряющее глобальные стратегии сокращения выбросов метана.

Источник выбросов	Как сократить выбросы?
Промышленность	Модернизация оборудования, используемого для добычи, хранения и транспортировки нефти и природного газа, может уменьшить многие утечки, которые способствуют выбросам метана. Метан угольных шахт также можно улавливать и использовать для получения энергии с помощью программ Natural Gas STAR и Coalbed Methane Outreach Program (CMOP).
Сельское хозяйство	Метан от методов обращения с навозом можно уменьшить и улавливать путем изменения стратегии обращения с навозом. Кроме того, изменение практики кормления животных может снизить выбросы от кишечной ферментации. Больше об улучшенных методах животноводства можно узнать, изучив программу EPA AgSTAR.
Отходы домов и предприятий	Поскольку выделение метана на свалках является основным источником выбросов газа в США, меры контроля выбросов, которые улавливают газ из свалок, могут помочь в стратегии сокращения выбросов.

Почему важно бороться с метаном?

Хотя метан не задерживается в атмосфере так долго, как углекислый газ, поначалу он гораздо более разрушителен для климата из-за того, насколько эффективно он поглощает тепло. В первые два десятилетия после выброса метан в 84 раза сильнее углекислого газа.

Поскольку метан очень мощный и в тоже время у человечества есть решения, которые сокращают его выбросы, обращение с метаном —это самый быстрый и эффективный способ замедлить темпы потепления планеты.

Если метан попадает в воздух перед использованием — например, из негерметичной трубы, он поглощает солнечное тепло, нагревая атмосферу. По этой причине он считается парниковым газом, например, двуокисью углерода.

Как решить проблему с метаном?

До недавнего времени было мало что известно о том, где происходили утечки, и о том, как лучше всего их исправить. В 2012 году компания EDF начала серию исследований, чтобы лучше их выявлять и находить решения.

Резюме 16 исследований по всей цепи поставок США показывает выбросы метана значительно выше, чем предполагалось изначально. В мае 2016 года EPA утвердило первое в истории национальное правило прямого ограничения выбросов метана от нефтегазовых операций, открыв новую возможность для уменьшения загрязнения климата. На данный момент Агентство по охране окружающей среды США стремится установить правила, которые защищают жителей США от загрязнения метаном.

Проект EPA — Google Earth Outreach — помогает визуализировать опасные для климата утечки, обнаруженные в местных сообществах. Почему это важно? Повышение осведомленности о масштабах и влиянии утечек метана имеет важное значение для разработки эффективной политики.

На сегодняшний день создана еще одна технология, которая помогает выявлять следы метана. На небе появился новый мощный спутник для мониторинга выбросов метана, одного из ключевых газов, влияющих на изменение климата, вызванное деятельностью человека.

Какие есть разработки для борьбы с метаном?

Новейший спутник Iris для мониторинга метана

Космический аппарат, известный как Iris, может отображать шлейфы метана в атмосфере с разрешением всего 25 метров. Это позволяет идентифицировать отдельные источники метана, например, конкретные нефтегазовые объекты.

Iris был запущен канадской компанией GHGSat (Global Emissions Monitoring) в Монреале 2 сентября. Это первопроходец в созвездии из 10 космических аппаратов, которое появится к концу 2022 года.

Первая попытка Iris зарегистрировать значительный выброс метана

Наблюдения проводились над Туркменистаном, в регионе, где ранее были отмечены большие шлейфы от нефтегазовой инфраструктуры. Обнаружение, наложенное на стандартное изображение с воздуха, показывает концентрацию метана в воздухе, превышающую нормальные фоновые уровни.

«Нам все еще нужно работать над калибровкой, которая затем позволит нам проверить порог обнаружения и окончательные характеристики спутника. Но в качестве изображения — это феноменально по любым стандартам», — заявил генеральный директор GHGSat Стефан Жермен в интервью для BBC News.

GHGSat уже работает с операторами, регулирующими органами и другими заинтересованными сторонами, чтобы охарактеризовать эти выбросы с помощью прототипа спутника под названием Claire, который он запустил в 2016 году. Присутствие на орбите Ирис предоставляет компании дополнительный поток данных, которые он теперь намеревается интерпретировать. в новом британском аналитическом центре, который будет открыт в Эдинбурге и Лондоне в ближайшие недели.

«В том, что мы делаем в Великобритании, есть возможности мирового уровня, — объясняет доктор Жермен. — Не только в области аналитики, но и в системах космических кораблей, которые нас интересуют».

Спутник Sentinel-5P от ЕКА

GHGSat в последнее время укрепляет свои связи с Европейским космическим агентством, которое эксплуатирует спутник ЕС Sentinel-5P.

Он также контролирует метан, делая ежедневные глобальные снимки газа. Но при разрешении 7 км его данные гораздо менее показательны, чем данные Iris и Claire.

ЕКА

Однако если использовать оба спутника вместе, они образуют что-то вроде команды мечты для исследования метана, уверяют ученые.

«Они (Sentinel-5P) могут видеть весь мир каждый день. Мы не можем этого сделать. Но мы можем видеть отдельные объекты. Они не могут этого сделать. Так что, действительно, это фантастическая комбинация, и она создает очень хорошие отношения с Европейским космическим агентством, и я думаю, что мы только начинаем превращаться в нечто гораздо большее».

Следующий спутник GHG, Hugo, проходит испытания и, как ожидается, будет запущен в конце этого года.

Компания недавно получила 30 млн долларов в виде дополнительного финансирования, которое позволяет ей построить три космических корабля, которые будут следовать за Hugo на орбиту.

Глобальная проблема метана. В чем сложность его учета?

Бюджет метана

Метан является мощным парниковым газом и является вторым по величине фактором глобального потепления, вызванным деятельностью человека, после CO₂. На единицу массы метан в 84–86 раз сильнее, чем CO₂ за 20 лет и в 28–34 раза сильнее за 100 лет.

Глобальный бюджет метана позволяет отслеживать, откуда происходят выбросы, сколько поглощается «стоками» и, следовательно, сколько остается в атмосфере.

Бюджет метана — это инициатива Глобального углеродного проекта (GCP), международной исследовательской программы, которая направлена на «создание полной картины глобального углеродного цикла». Основанный в 2001 году, GCP предоставляет ежегодную обновленную информацию о глобальных выбросах углерода.

С метаном «все немного сложнее», — объясняет доктор Мариэль Саунуа, доцент Версальского университета Сен-Кантен во Франции, которая возглавляет глобальный бюджет метана. Сложность отчасти объясняется тем, что для создания бюджета метана нужны длительные прогоны модели, которые требуют времени. Чтобы обновлять данные каждый год у научного сообщества, потребовалось бы слишком много ресурсов. В результате бюджет метана обновляется каждые два-три года.

Третья публикация появилась в техническом документе в журнале Earth System Science Data и в сопроводительном «перспективном» документе в журнале Environmental Research Letters.

Двойные подходы к бюджету метана

Глобальный баланс метана использует два разных подхода к оценке источников и стоков.

Первый подход — «восходящий», который фокусируется на выбросах метана у источника. При этом используются данные о выбросах, которые представляются отдельными странами в национальных кадастрах парниковых газов в ООН. Эти кадастры охватывают антропогенные источники, такие как использование ископаемого топлива, животноводство, выращивание риса и свалки.
Эти оценки суммируются с моделированием других источников метана, таких как водно-болотные угодья, лесные пожары и термиты. Например, спутниковые данные о глобальной площади, сожженной пожарами, сочетаются с моделями, которые «учитывают тип сожженной растительности, выжженную поверхность и продолжительность пожара, а также тип пожара», — объясняет Сонуа.
Второй подход называется «сверху вниз». Это начинается с наблюдений за концентрациями метана в глобальном масштабе и работает в обратном направлении, используя моделирование, чтобы оценить, где они возникли.

Ни один из подходов не является безупречным, и эти два метода, по словам ученых, «несовместимы». Но у двойного подхода есть свои преимущества. Нисходящий метод, уверяет доктор Сануа, «является более надежной оценкой глобального общего объема» выбросов метана, однако восходящие оценки используются для определения выбросов в конкретных регионах и секторах.

Например, выбросы водно-болотных угодий и пресной воды особенно сложно оценить, что означает «существенное расхождение» между нисходящими и восходящими числами, говорит Сануа. В частности это связано с тем, что источники пересекаются, добавляет она, и, следовательно, их можно отнести к более чем одной категории.

Где больше всего метана?

Исследователи говорят, что в трех регионах — Африке и Ближнем Востоке, Китае, Южной Азии и Океании — наблюдается наибольший рост выбросов метана. В каждом случае выбросы выросли на 10–15 млн тонн между средним показателем 2000–2006 и 2017 годов.

Следующим по величине был рост на 5,0–6,7 млн тонн в Северной Америке, и, как показывает бюджет, в основном за счет увеличения на 4,4–5,1 млн тонн в США.

Напротив, в Европе наблюдалось небольшое сокращение выбросов, примерно на 1,6–4,3 млн тонн, в основном из-за меньшего количества выбросов от сельского хозяйства.

Это противоречит тенденции, наблюдаемой в других регионах, при этом увеличение сельскохозяйственных выбросов является основной причиной увеличения общих выбросов в Африке, Южной Азии и Океании.

Что касается ископаемого топлива, наибольший рост выбросов метана — 5–12 млрд тонн — был зарегистрирован в Китае, при этом в Северной Америке, Африке, Южной Азии и Океании наблюдался рост на 4–6 млн тонн. Выбросы метана, связанные с ископаемым топливом, в США увеличились на 3,4–4,0 млн тонн.

И все же стоит учитывать, что недавние исследования показали: несмотря на огромные цифры, выбросы метана от ископаемого топлива были «сильно недооценены».

Измеряемые газы — НПЦ АТБ

Измеряемые газы

Метан (CH₄)

Метан (Ch5) имеет относительную плотность 0,554. Характерными свойствами этого газа являются горючесть и способность давать взрывчатую смесь с воздухом.

Температура воспламенения метана равна 650-750°C, однако эта температура может быть выше и ниже указанных пределов в зависимости от рода воспламенителя, способа воспламенения, содержания метана в воздухе и др.

Для метана характерным является свойство воспламеняться при соприкосновении с источником высокой температуры не сразу, а через некоторый промежуток времени, величина которого зависит от температуры воспламенения: при 650°C время запаздывания составляет 10 с, при 1000°C оно падает до 1 с и ниже.

Взрывы метана в шахтах всегда сопровождаются двумя ударными волнами — прямой и обратной. Прямая волна образуется под действием раскаленных продуктов взрыва, обладающих чрезвычайно высоким давлением. Обратная волна образуется в результате последующего понижения давления в месте взрыва, что объясняется остыванием продуктов химической реакции и конденсацией содержащихся в них паров воды. Сила обратного удара несколько меньше, чем прямого. Однако в связи с тем, что он следует по тому пути, на котором прямая волна уже оказала определенное разрушительное действие, механические эффекты, вызванные обратной волной, могут быть сильнее, чем прямой.

При концентрации метана свыше 9,5% после первичного пламени, распространяющегося с огромной скоростью и сжигающего весь кислород воздуха, может наблюдаться вторичное пламя, проходящее вследствии дожигания оставшегося метана притекающим извне кислородом воздуха. Вторичное пламя движется в направлении, обратном пути прохождения первичного пламени, и имеет меньшую скорость.

Выработка, в которой произошел взрыв, заполняется раскаленной смесью газов, полностью лишенной кислорода или содержащей его в весьма малых количествах. Эта смесь в основном содержит азот и углекислый газ, а во многих случаях — примесь оксида углерода. Оксид углерода в такой смеси содержится в больших количествах в тех случаях, когда взрыв газа происходит в присутствии угольной пыли. Причем большое количество пыли может быть вызвано при распространении ударных волн.

Газы, непригодные для дыхания, из выработки, в которой произошел взрыв, распространяются по вентиляционной сети и являются главной причиной опасности пребывания в это время людей в шахте. Расследование последствий взрывов показывает, что не менее двух третей пострадавших шахтеров бывают поражены в результате отравления оксидом углерода или кислородного голодания и накопления углекислого газа в организме.

Оксид углерода (СО)

Оксид углерода или угарный газ (СО) — газ без цвета и запаха, относительная плотность 0,97. Слабо растворимый в воде, горит и при содержании в воздухе от 13 до 75% образует взрывчатые смеси с температурой воспламенения 630-810°C (наибольшая сила взрыва при 30% СО).

Главные источники образования СО в шахтах — низкотемпературное окисление угля, пожары, взрывы метана и пыли, взрывные работы и двигатели внутреннего сгорания.

Оксид углерода или угарный газ (СО) ядовит.

Сероводород (H₂S)

Сероводород (h3S) — газ без цвета, с резким характерным запахом (тухлых яиц) и сладковатым вкусом, относительная плотность 1,17. Легко растворим в воде, образует с воздухом взрывчатую смесь, сильно ядовит.

Основными источниками сероводорода в шахтах являются гниение органических веществ, разложение водой серного колчедана, выделение из трещин и минеральных источников, эндогенные пожары, взрывные работы, взаимодействие сульфатных вод с метаном.

Кислород (О₂)

Кислород (О2) — газ без цвета, вкуса и запаха, слабо растворим в воде, относительная плотность 1,105. По правилам безопасности в шахтах содержание кислорода в воздухе должно быть не менее 20%. Известно, что при содержании кислорода 18% у человека наступает сонливость, при 17% начинаются отдышка и усиленное сердцебиение, а при 12% и менее — возникает смертельная опасность.

В шахту кислород поступает с атмосферным воздухом. Основными причинами уменьшения содеожания кислорода в рудничном воздухе являются выделение различных газов из окружающего массива горных пород, а также выбросы, взрывы и подземные пожары.

Горючие газы (CxHy)

Промышленные месторождения горючих природных газов встречаются в виде обособленных скоплений, не связанных с каким-либо др. полезным ископаемым; в виде газонефтяных месторождений, в которых газообразные углеводороды полностью или частично растворены в нефти или находятся в свободном состоянии и заполняют повышенную часть залежи (газовые шапки) или верхние части сообщающихся между собой горизонтов газонефтяной свиты; в виде газоконденсатных месторождений, в которых газ обогащен жидкими, преимущественно низкокипящими углеводородами.

Горючие природных газы состоят из метана, этана, пропана и бутана, иногда содержат примеси легкокипящих жидких углеводородов — пентана, гексана и др.; в них присутствуют также углекислый газ, азот, сероводород и инертные газы. Многие месторождения горючих газов, залегающие на глубине не более 1,5 км, состоят почти из одного метана с небольшими примесями его гомологов (этапа, пропана, бутана), азота, аргона, иногда углекислого газа и сероводорода; с глубиной содержание гомологов метана обычно растет. В газоконденсатных месторождениях содержание гомологов метана значительно выше, чем метана. Это же характерно для газов нефтяных попутных. В отдельных газовых месторождениях наблюдается повышенное содержание углекислого газа, сероводорода и азота.

Исследования климата Южной Флориды

Метан (CH ₄) также состоит из одного атома углерода, окруженного четырьмя атомами водорода. Это основной компонент природного газа и второй по значимости парниковый газ, вызывающий озабоченность. Вы узнали, что молекула метана в 30 раз сильнее молекулы диоксида углерода, но метан присутствует в меньших концентрациях и имеет более короткий срок службы, чем диоксид углерода.Метан — основной компонент природного газа. Метан попадает в атмосферу и в конечном итоге соединяется с кислородом (окисляется) с образованием еще большего количества CO ₂. Метан превращается в CO ₂ в результате этой простой химической реакции.

Источник изображения:
Microsoft Clip Art

Свалки, рисоводство и животноводство выделяют в атмосферу Земли еще один незначительный парниковый газ, называемый метаном. Метан выделяется при разложении органических отходов и животноводстве. Метан образуется, когда бактерии разлагают органические растения и животные в таких местах на заболоченных территориях (например, болота, отмели, затопленные рисовые поля), на очистных сооружениях, на свалках, в кишечнике крупного рогатого скота и термитов, а также при утечках из трубопроводов природного газа и нефти. колодцы.

CH ₄ + O ₂ → CO ₂ + H ₄

метан + кислород → углекислый газ + водород

Что такое вечная мерзлота?
Вечная мерзлота — это вечно мерзлый грунт, который удерживает влагу, тепло и триллионы тонн метана глубоко под поверхностью.

Толщина вечной мерзлоты может составлять от нескольких метров до более 1000 метров (3281 фут). Обширные районы вечной мерзлоты в Канаде, на Аляске, в Сибири и на Тибетском плато начинают таять. По мере таяния вечной мерзлоты выделяется углекислый газ или метан, что еще больше увеличивает концентрацию парниковых газов в атмосфере.

Посмотрите фильм НАСА «Спящий гигант» в арктической вечной мерзлоте.

Что такое метан? | Факты о парниковых газах метан

Метан — это легко воспламеняющийся газ без цвета, запаха и запаха, а также основной компонент природного газа, который используется для выработки электроэнергии и обогрева домов по всему миру.
По данным EPA, на метан приходилось примерно 10 процентов всех антропогенных выбросов парниковых газов в США в 2017 году.
В августе 2019 года EPA объявило, что отменяет правила в отношении метана.

В прошлом году Агентство по охране окружающей среды (EPA) объявило о начале отмены правил эпохи Обамы в отношении метана, мощного парникового газа. В соответствии с действующими правилами, нефтегазовые компании должны устанавливать средства контроля, которые предотвращают утечку метана из их оборудования.

DIVE DEEPER ➡ Прочтите лучшие в своем классе статьи по науке о Земле и получите неограниченный доступ к Pop Mech , начиная с сегодняшнего дня.

Администрация Трампа утверждает, что EPA не имеет полномочий регулировать использование метана в соответствии с Законом о чистом воздухе. Но этот шаг идет вразрез с рекомендациями некоторых крупных игроков в нефтегазовой отрасли, таких как Shell, BP и Exxon, которые поддержали правила 2016 года и недавно заявили о своей приверженности сокращению выбросов метана.

Так почему это так важно? Давайте разберемся с этим.

Что такое

Метан (Ch5) — это легковоспламеняющийся газ без цвета, запаха и запаха, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода.Его можно производить естественным и синтетическим путем, а при сжигании в присутствии кислорода выделяется углекислый газ и водяной пар.
Метан является основным компонентом природного газа и используется для производства тепла и электроэнергии во всем мире. Метан также используется в химических реакциях для производства других важных газов, таких как водород, окись углерода и технический углерод — химическое соединение, которое содержится в некоторых типах резины, используемой в автомобильных шинах.
Газ также вносит значительный вклад в изменение климата.По данным EPA, в 2017 году на метан приходилось примерно 10 процентов всех выбросов парниковых газов в США, вызванных деятельностью человека. Хотя это не самый распространенный парниковый газ в атмосфере, он является одним из самых мощных.
Где находится метан и как он выделяется?
Есть два основных способа естественного производства метана.
Во-первых, метан может образовываться в результате ряда химических реакций, когда органическое вещество разлагается на небольшой глубине в среде с низким содержанием кислорода, такой как болота и трясины.Когда растения умирают и опускаются на дно этих водянистых сред, бактерии начинают их разрушать. Согласно исследованию , опубликованному в Proceedings of the National Academy of Sciences , водно-болотные угодья являются крупнейшим естественным источником выбросов метана. Кроме того, метан может вытекать из грязевых вулканов, рисовых полей и, что странно, термитов.
Метан также можно найти в подземных отложениях ископаемого топлива, которые в течение миллионов и миллионов лет подвергались воздействию высоких давлений и температур.Поскольку эти виды топлива собираются, добываются и выбрасываются, то же самое происходит и с метаном. Метан трудно транспортировать, и легко протекает при добыче нефти, угля и природного газа. — отсюда и правила.
«Если вы пытаетесь повлиять на политику в области климата в ближайшие 10 лет, метан — действительно хорошее химическое вещество, для которого нужно стремиться», — говорит Дэниел Варон, ученый-атмосферник из Гарвардского университета, Popular Mechanics .
Форма метана, смешанного со льдом, называемая газогидратом метана, может быть обнаружена в слоях отложений на дне океана, а также под вечной мерзлотой и замерзшими озерами в Арктике.Эти твердые, похожие на лед отложения рекламируются как потенциальный источник энергии, но вызывают особую тревогу, потому что они могут выделять большие концентрированные количества метана в атмосферу .
Согласно EPA , примерно от 50 до 65 процентов выбросов метана в США связаны с деятельностью человека, в то время как около 30 процентов выбросов метана, связанных с деятельностью человека, выбрасываются в газовой и нефтяной промышленности.
Этот контент импортирован из {embed-name}.Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.
Около 27 процентов выбросов метана происходит в результате процесса, называемого кишечной ферментацией, когда коровы в основном отрыгивают и иногда пукают во время переваривания пищи, а 16 процентов мировых выбросов метана образуются в результате разложения органических отходов на свалках. Метан также может выделяться при хранении и использовании навоза в качестве топлива (9 процентов) и при добыче угля (8 процентов).
EPA
Что касается отрыжки крупного рогатого скота, недавнее исследование , опубликованное в Science Advances , выявило группы микробов в кишечнике коров, вызывающих кишечную ферментацию, и предположило, что выборочное разведение коров для производства меньшего количества газа может снизить выбросы.
Так почему же метан так важен?
Из всех парниковых газов метан является одним из самых сильнодействующих из-за его способности эффективно поглощать тепло в атмосфере Земли. Исследования показали, что за 20-летний период килограмм метана нагревает планету в 80 раз больше, чем килограмм углекислого газа .
Метан может находиться в атмосфере Земли около десяти лет, прежде чем он начнет реагировать со свободным радикалом, называемым гидроксилом, и превратится в углекислый газ, где он может оставаться там веками.
Таким образом, по словам Варона, большую часть времени в атмосфере метан в виде молекулы проводит в виде молекулы CO2. В воздух выбрасывается гораздо меньше метана, чем углекислого газа.«Простое сокращение выбросов метана без снижения выбросов CO2 не будет столь полезным в долгосрочной перспективе», — говорит он. Тем не менее, метан оказывает продолжительное воздействие.
Например, одно из таких ударов — это явление, называемое тепловым расширением. Парниковые газы, такие как метан, нагревают атмосферу, и до 90 процентов этого избыточного тепла поглощается океанами. Это тепло заставляет морскую воду расширяться в объеме. Этот эффект, наряду с таянием ледников, вызывает повышение уровня моря.
Ученым давно известно, что углекислый газ нагревает атмосферу Земли и океаны, вызывая их расширение, но только недавно они обнаружили, что короткоживущие парниковые газы, такие как метан и CFC (газы, содержащие хлор или фтор), также способствуют тепловому расширению. .В 2017 году ученые провели компьютерных симуляций, которые показали, что теплового расширения, вызванного метаном, продолжается веками даже после того, как газ улетучился из атмосферы.
И, наконец, регулирование метана приносит пользу для здоровья. По словам Варона, выбросы газа могут привести к повышению уровня озона в атмосфере. По данным EPA, озон может вызвать ряд проблем со здоровьем, таких как одышка, и усугубить такие заболевания легких, как астма, эмфизема и хронический бронхит.
«Люди давно измеряют содержание метана в атмосфере с помощью самолетов и наземных приборов», — говорит Варон. Он и его коллеги работают с правительственными агентствами, которые используют спутники, чтобы определить, где выбросы наиболее высоки. Эта информация может помочь идентифицировать объекты, на которых происходит утечка метана, и привести к лучшему мониторингу и, следовательно, регулированию операций с нефтью и природным газом по всему миру.
Понимание происхождения метана может помочь нам смягчить последствия изменения климата, но это все еще тяжелая битва.Последний откат EPA может сделать этот холм намного круче.
В исходной версии этой статьи говорилось, что из-за химической реакции большая часть времени жизни метана в атмосфере проходит в виде молекулы CO2. С тех пор мы уточнили это утверждение, чтобы отразить, что химическая реакция происходит в конце жизни метана в атмосфере. Мы сожалеем об ошибке.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
Важность метана | Глобальная инициатива по метану (GMI)
Метан (CH ₄) — это углеводород, который является основным компонентом природного газа. Метан также является парниковым газом (ПГ), поэтому его присутствие в атмосфере влияет на температуру Земли и климатическую систему. Метан выделяется из различных антропогенных (антропогенных) и природных источников.Источники антропогенных выбросов включают свалки, системы добычи нефти и природного газа, сельскохозяйственную деятельность, добычу угля, стационарное и мобильное сжигание, очистку сточных вод и некоторые промышленные процессы.
Метан является вторым по распространенности антропогенным парниковым газом после двуокиси углерода (CO ₂), на который приходится около 20 процентов глобальных выбросов. Метан более чем в 25 раз сильнее углекислого газа улавливает тепло в атмосфере. За последние два столетия концентрация метана в атмосфере увеличилась более чем вдвое, в основном из-за деятельности человека.Поскольку метан является одновременно мощным парниковым газом и недолговечным по сравнению с углекислым газом, достижение значительных сокращений окажет быстрое и значительное влияние на потенциал атмосферного потепления.
Другая информация о выбросах метана
Кто больше всего выбрасывает метан?
По оценкам, на Китай, США, Россию, Индию, Бразилию, Индонезию, Нигерию и Мексику приходится почти половина всех антропогенных выбросов метана.Основные источники выбросов метана в этих странах сильно различаются. Например, основным источником выбросов метана в Китае является добыча угля, тогда как Россия выбрасывает большую часть метана из систем природного газа и нефти. Крупнейшими источниками выбросов метана в результате деятельности человека в США являются нефтегазовые системы, кишечная ферментация домашнего скота и свалки.
Почему меры по улавливанию и рентабельному использованию выбросов метана не получили широкого распространения?
Несмотря на многочисленные преимущества, добыча метана не получила широкого распространения по нескольким причинам.
Метан обычно является вторичным побочным продуктом промышленных процессов, из которых он выделяется. Например, угольные шахты стремятся выбрасывать метан из выработок, потому что он может вызвать взрывы. Исторически сложилось так, что горнодобывающие компании не рассматривали связанный метан как самостоятельный энергетический ресурс.
Лица, ответственные за выбросы, могут быть не знакомы с технологиями, доступными для извлечения метана, или потенциальными прибыльными проектами по извлечению метана.Это особенно верно в развивающихся странах, где улучшенный доступ к информации и техническому обучению будет полезным для обеспечения поддержки проектов по рекуперации метана.
Плохо функционирующие энергетические рынки и финансово неплатежеспособные коммунальные предприятия и муниципалитеты во многих странах не могут обеспечить частному сектору климат, который будет привлекать их инвестиции в проекты по улавливанию и использованию метана.
Метан, вызывающий парниковый эффект (CH 4): источники и поглотители, влияние роста населения, возможные меры вмешательства
org/Book»>
Alexandratos, N.(Ред.). (1988). Мировое сельское хозяйство: к 2000 году. Исследование ФАО . Лондон: Belhaven Press.
Google ученый
Андреэ, М.О. (1991). Сжигание биомассы в тропиках: влияние на качество окружающей среды и глобальное изменение климата. У К. Дэвиса и М.С. Бернштам (ред.). Ресурсы, окружающая среда и население: текущие знания, будущие возможности , стр. 268–291. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
Google ученый
Асельманн, И.И Крутцен П.Дж. (1989). Глобальное распределение естественных пресноводных водно-болотных угодий и рисовых полей: их чистая первичная продуктивность, сезонность и возможные выбросы метана. Журнал химии атмосферы, 8 , 307–358.
Google ученый
Бейкер-Блокер, А., Донохью, Т.М., и Мэнси, К.Х. (1977). Поток метана из водно-болотных угодий. Tellus, 29 , 245–250.
Google ученый
Барнола, Дж.М., Рейно, Д., Короткевич, Ю.С., и Лориус, К. (1987). Ледяной керн Востока обеспечивает регистрацию атмосферного CO ₂ за 160 000 лет. Nature, 329 , 408–414.
Google ученый
Бингемер, Х.Г. и Крутцен, П.Дж. (1987). Производство метана из твердых отходов. Журнал геофизических исследований, 92 , 2181–2187.
Google ученый
org/Book»>
Боден Т.А., Сепански Р.Дж. и Стосс Р.В. (ред.). (1991). Тенденции ’91. Сборник данных о глобальных изменениях . Ок-Ридж, Теннесси: Центр анализа информации по двуокиси углерода, Национальная лаборатория Ок-Ридж.
Google ученый
Boden, T.A., Kanciruk, P., & Farrell, M.P. (1990). Тенденции ’90. Сборник данных о глобальных изменениях . ORNL / CDIAC-36. Ок-Ридж, Теннесси: Центр анализа информации по двуокиси углерода, Национальная лаборатория Ок-Ридж.
Google ученый
Cicerone, R.J. И Оремланд, Р. (1988). Биогеохимические аспекты атмосферного метана. Глобальные биогеохимические циклы , 2 (4), 299–327.
Google ученый
org/ScholarlyArticle»>
Конрад, Р. и Ротфусс, Ф. (1991). Окисление метана в поверхностном слое почвы затопленного рисового поля и влияние аммония. Биология и плодородие почв, 12 , 28–32.
Google ученый
Крутцен П.Дж., Асельманн И. и Зайлер В. (1986). Производство метана домашними животными, дикими жвачими животными, другой растительноядной фауной и людьми. Tellus, 38B , 271–284.
Google ученый
Дансгаард, В., Клаузен, Х. Б., Гундеструп, Н., Хаммер, К. У., Джонсон, С. Ф., Кристинсдоттир, П. М., & Ри, Н. (1982). Новое ядро глубокого льда Гренландии. Science, 218 , 1273–1277.
Google ученый
org/ScholarlyArticle»>
Дельмас, Р.А., Маренко, А., Тати, Дж. П., Крос, Б., & Боде, Дж. Г. Р. (1991). Источники и стоки метана в африканской саванне. CH ₄ Выбросы от сжигания биомассы. Журнал геофизических исследований , 96 (D4), 7287–7299.
Google ученый
ФАО (1991a). Второй промежуточный отчет о состоянии тропических лесов .10-й Всемирный лесной конгресс, Париж. Рим: Продовольственная и сельскохозяйственная организация.
Google ученый
ФАО (1991b). Оценка лесных ресурсов 1990 проект . Лесное хозяйство N. 7. Рим: Продовольственная и сельскохозяйственная организация.
Google ученый
org/Book»>
ФАО (1991c). База данных ПК-АГРОСТАТТ. Рим: Продовольственная и сельскохозяйственная организация.
Google ученый
ФАО (1992).База данных PC-AGROSTATT, версия 2. Рим: Продовольственная и сельскохозяйственная организация.
Google ученый
Hansen, J.E., Lacis, A.A., & Ruedy, R.A. (1990). Сравнение солнечного и других влияний на долгосрочный климат. В K.H. Шаттен и А. Аркинг (ред.). Влияние изменчивости солнечной активности на климат; Труды конференции , Том 3086. Гринбелт, Мэриленд: Центр космических полетов Годдарда.
Google ученый
Hao, Wei-Min, Liu, Mey-Huey, & Crutzen, P. Дж. (1990). Оценки годовых и региональных выбросов CO ₂ и других микрогазов в атмосферу в результате пожаров в тропиках, основанные на статистических данных ФАО за период 1975–1980 годов. В J.G. Гольдаммер (ред.). Пожары в тропической биоте: экосистема, процессы и глобальные проблемы , стр. 440–462. Берлин: Springer Verlag.
Google ученый
Хоган, К.Б., Хоффман, Дж. С., и Томпсон, М. (1991). Метан в повестке дня теплиц. Nature, 354 , 181–182.
Google ученый
Houghton, J.T., Callander, B.A., & Varney, S.K. (Ред.). (1992). Изменение климата 1992 . Дополнительный отчет к научной оценке МГЭИК. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
Google ученый
org/Book»>
Houghton, J.T., Jenkins, G.J., & Ephraums, J.J. (Ред.). (1990). Изменение климата: научная оценка МГЭИК .Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
Google ученый
Ховард-Уильямс, К. и Томпсон, К. (1985). Сохранение африканских водно-болотных угодий и управление ими. В П. Денни (Ред.). Экология и управление африканской растительностью водно-болотных угодий , стр. 203–210. Дордрехт: издательство Dr. W. Junk.
Google ученый
Халил М.А.К., Расмуссен Р.А., Ван, Мин-Син и Рен, Лисинь (1991).Выбросы метана с рисовых полей в Китае. Journal of Environmental Science and Technology, 25 (5), 979–981.
Google ученый
org/ScholarlyArticle»>
Khalil, M.A.K., Rasmussen, R.A., French, J.R.J., & Holt, J.A. (1990). Влияние термитов на атмосферные следовые газы: CH ₄, CO ₂, CHCl ₃, N ₂ O, CO, H ₂ и легкие углеводороды, Journal of Geophysical Research, 95D , 3619 –3634.
Google ученый
Халил, М.А.К. И Расмуссен, Р.А. (1982). Вековые тренды атмосферного метана (CH ₄). Chemosphere, 11 , 877–883.
Google ученый
Lerner, J., Matthews, E., & Fung, I. (1988). Выбросы метана от животных: глобальная база данных с высоким разрешением. Глобальные биогеохимические циклы, 2 (2), 139–156.
Google ученый
org/ScholarlyArticle»>
Линдау, К.В., ДеЛон, Р.Д., Патрик, В.Х., и Боллих, П.К. (1990). Влияние удобрений на выбросы диазота, закиси азота и метана из низинного риса. Американское общество почвоведов, журнал, 54, (6), 1789–1794.
Google ученый
MacDonald, G.J. (1989). Ближайшие и долгосрочные технологии, использование и будущее природного газа.В ОЭСР, Международное энергетическое агентство: Энергетические технологии для сокращения выбросов парниковых газов , стр. 509–535. Материалы семинара экспертов, Париж, 12–14 апреля 1989 г. Париж: ОЭСР.
Google ученый
Malingreau, J.-P. И Такер, С.Дж. (1988). Масштабная вырубка лесов в юго-восточной части бассейна Амазонки в Бразилии. Амбио, 17 , 49–55.
Google ученый
Манибог, Ф.Р. (1984). Улучшенные кухонные плиты в развивающихся странах. Annual Review of Energy, 9 , 199–227.
Google ученый
Мэтьюз, Э., Фанг, И., и Лернер, Дж. (1991). Выбросы метана от выращивания риса: географическое и сезонное распределение посевных площадей и выбросы. Глобальные биогеохимические циклы, 5 (1), 3–24.
Google ученый
Мэтьюз, Э.И Фунг И. (1987). Эмиссия метана из естественных водно-болотных угодий: глобальное распределение, площадь и экологические характеристики источников. Глобальные биогеохимические циклы, 1 , 61–86.
Google ученый
Mitchell, J.F.B. (1989). «Парниковый» эффект и изменение климата. Обзоры геофизики, 27 (1), 115–139.
Google ученый
Нефтел, А., Moor, E., Oeschger, H., & Stauffer, B. (1985). Свидетельства по кернам полярных льдов о повышении содержания CO в атмосфере ₂ за последние два столетия. Nature, 315 , 45–47.
Google ученый
Нефтель, А., Эшгер, Х., Швандер, Дж., Штауфер, Б., и Цумбрунн, Р. (1982). Измерения керна льда дают содержание CO ₂ в атмосфере за последние 40 000 лет. Nature, 295 , 220–223.
Google ученый
Nordhaus, W.(7 июля 1990 г.). Экономика теплицы, посчитайте, прежде чем прыгать. The Economist , стр. 19–22.
Quay, PD, King, SL, Stutsman, J., Wilbur, DO, Steele, LP, Fung, I., Gammon, RH, Brown, TA, Farwell, GW, Grootes, PM, & Schmidt, FH (1991). Изотопный состав углерода атмосферного CH ₄: сильные стороны источников горения ископаемых и биомассы. Глобальные биогеохимические циклы, 5 (1), 25–47.
Google ученый
Рейно, Д., Чаппеллаз, Дж., Барнола, Дж. М., Короткевич, Ю. С., и Лориус, К. (1988). Климатические и последствия ледниково-межледниковых изменений CH ₄ CH ₄ в ледяном керне Востока. Nature, 333 , 655–657.
Google ученый
Россвалл Т. (1991). Парниковые газы и глобальные изменения: международное сотрудничество, Journal of Environmental Science and Technology, 25 (4), 567–583.
Google ученый
Зайлер, W.(1984). Вклад биологических процессов в глобальный бюджет CH ₄ в атмосфере. В M.J. Klug and C.A. Редди (Ред.). Современные перспективы микробной экологии , стр. 468-ff. Вашингтон, округ Колумбия: Американское общество микробиологии.
Google ученый
Sloan, D.E. (Декабрь 1991 г.). Гидраты природного газа. Журнал нефтяных технологий , стр. 1414–1417.
Смил, В.(1987). Энергия, еда, окружающая среда. Реалии, мифы, мнения . Оксфорд: Clarendon Press.
Google ученый
Штауфер Б., Лохброннер Э., Эшгер Х. и Швандер Дж. (1988). Концентрация метана в ледниковой атмосфере была вдвое меньше, чем в доиндустриальном голоцене. Nature, 332 , 812–814.
Google ученый
Стокгольмский институт окружающей среды (1991).G2S2 (Система сценариев парниковых газов). Бостонский офис. Стокгольм: Международный институт экологических технологий и менеджмента.
Google ученый
org/Book»>
ООН (1991). Перспективы народонаселения мира 1990 . Нью-Йорк: Организация Объединенных Наций.
Google ученый
Явитт, Дж. Б. (1992). Метан, биогеохимический цикл. В В.А. Ниренберге (Ред.). Энциклопедия наук о земных системах, Том 3 , стр.197–207. Сан-Диего: Academic Press.
Google ученый
Образование метана в тропических водохранилищах, прогнозируемое на основе возраста отложений и азота
Отбор проб
Пробы донных отложений были получены из трех бразильских водохранилищ с разным трофическим статусом: Chapéu D ‘Uvas (CDU), Curuá-Una (CUN) и Funil (FUN) ). CDU представляет собой олиготрофный резервуар (средняя концентрация общего фосфора (TP), 12 мкг л ^-1), который был построен в 1994 году для водоснабжения ¹⁹.CUN — это мезотрофный гидроэлектрический резервуар (средняя TP, 19 мкг L ^-1), который был построен в 1977 году ¹⁹. FUN — это эвтрофный гидроэлектрический резервуар (среднее TP 34 мкг L ^-1), построенный в 1969 году ²⁰. CDU и FUN расположены в биоме Атлантического леса, а CUN — в Амазонке.
В каждом водохранилище участки отбора керна (6 в CDU, 4 в FUN и 7 в CUN) были распределены по всему водохранилищу (дополнительные рисунки 1–3), от участков впадения реки до плотины, чтобы перекрыть градиенты характеристик наносов. .Керны отложений (по одному на участок) были взяты с помощью гравитационного пробоотборника UWITEC, оснащенного молотком. В зависимости от предполагаемой глубины наносов использовались трубы различной длины (от 0,6 до 3 м). В 14 из 17 кернов отложений мы достигли предпотопного грунта. Глубина границы раздела между почвой до затопления и отложениями водохранилища (глубина отложений) определялась и регистрировалась визуально. Если грунт до затопления не был достигнут; глубина отложений оценивалась по другим кернам, отобранным в том же районе. Образцы из CDU были взяты 7 ^-го марта 2016 года, из FUN 14 ^-го марта 2016 года и из CUN 20 ^-го–28 ^-го февраля 2016 года.
Пробоподготовка
Керны осадка хранили в темноте при комнатной температуре, т.е. аналогично при температурах на месте в этих тропических системах, и нарезали их на следующий день после отбора проб. Образцы были нарезаны с интервалом 4 см, чтобы обеспечить достаточное количество материала для эксперимента. Подземный (2–6 см) слой всех кернов донных отложений использовался для эксперимента и представлял собой довольно свежие, но уже бескислородные отложения. Мы считали, что осадок на глубине 2 см является бескислородным, поскольку глубина проникновения кислорода равна 0.3–1,2 см были зарегистрированы из бразильского водохранилища ²¹. Если возможно, использовался 4-сантиметровый слой наносов непосредственно над границей раздела почва-отложения и было получено до 3 дополнительных проб, распределенных по глубине керна донных отложений до границы раздела почва-отложения; например, самый длинный керн был FUN_48 (204 см), а граница раздела почва-осадок — 192 см. Этот керн отбирался на глубинах 2–6 см, 32–36 см, 60–64 см, 116–120 см, 172–176 см. Общее количество проб отложений на керн варьировалось от одного до четырех, в зависимости от общей длины каждого керна.Всего было отобрано 17 проб из отложений глубиной 2–6 см и 25 проб из более глубоких слоев отложений. После разрезания свободное пространство в контейнерах для образцов (сосуды из полипропилена с защелкивающимся замком из полиэтилена низкой плотности) заполняли N ₂, а образцы помещали в перчаточный мешок N ₂ в течение 1-2 часов после разрезания. Мешок для перчаток был заполнен N ₂ и откачан с помощью вакуумного насоса 2 раза, чтобы минимизировать воздействие кислорода на образцы.
Каждый образец гомогенизировали в перчаточном мешке, и суб-образец из 10 мл гомогенизированного осадка переносили в предварительно взвешенные флаконы с сывороткой на 60 мл.К образцам добавляли 2,5 или 5 мл (в зависимости от плотности осадка) стерильно отфильтрованной (фильтр GF 0,2 мкм), пузырьковой воды N ₂ из соответствующего резервуара. Были приготовлены 3 копии каждого образца. После приготовления образцы были запечатаны и промыты N ₂. Флаконы взвешивали до и после заполнения, чтобы узнать точную массу осадка в каждом флаконе. В качестве контрольной обработки были приготовлены 3 повтора по 10 мл стерильной воды (фильтрованной через фильтр GF с размером пор 0,2 мкм) из каждого резервуара в тех же флаконах, что и образец осадка, и отобраны пробы таким же образом, как и образцы осадка.Концентрация растворенного кислорода проверялась в этих контролях в начале инкубации с помощью оптических датчиков (PreSens) и была ниже уровня обнаружения (уровень обнаружения 0,1 мг / л).
Остальной осадок сушили в специальной печи при температуре около 55 ° C и определяли содержание воды гравиметрически.
Инкубация
Образцы инкубировали аноксически при 25 ° C в темноте в течение всего времени эксперимента (739 дней). Фаза задержки до начала роста метаногенов в образцах донных отложений с аналогичным обращением очень коротка (несколько дней; ¹⁶) по сравнению с продолжительностью эксперимента и, таким образом, считается незначительной. Скорость образования CH ₄ измерялась в пробах при 7 отборах проб. Каждый случай отбора проб включал 2 измерения: начало и конец инкубации, которая длилась около 2 недель. Точные дни отбора проб варьировались для каждой пробы и в среднем составляли 1–9 день для выборки 1 , дни 9–28 — 2 ^{-й выборки}, дни 72–91 для 3 выборки ^-й, день 185–200 для выборки 4 , дни 275–290 для выборки 5 , дни 423–442 для выборки 6 и дни 719–736 для выборки 7 (Дополнительная таблица 3 ).Перед и после каждого отбора проб образцы промывали N ₂, чтобы предотвратить любое возможное ингибирование метаногенеза CH ₄, CO ₂ или другими летучими и потенциально ингибирующими веществами ^22,23. Термодинамика метаболических реакций подразумевает изменение свободной энергии в зависимости от концентрации продукта ²⁴, и результирующий отрицательный эффект на метаногенный метаболизм наблюдался в исследованиях инкубации и моделирования ^23,25,26.
Для измерения начальной концентрации газа во флаконах (в начале отбора проб) в каждый флакон с образцом добавляли 8 мл N ₂, а затем измеряли давление во флаконе с помощью игольчатого барометра. Образцы энергично встряхивали в течение 1 мин, чтобы дать возможность уравновесить CH ₄ между свободным пространством и поровой водой. Затем с помощью шприца на 10 мл экстрагировали 7 мл газа, свободного от пара. В конце каждого отбора проб (примерно через 2 недели) процедуру повторяли. К образцам добавляли 8 мл N ₂, и газ извлекали после встряхивания флакона в течение 1 мин.Разбавление образца после добавления N ₂ рассчитывали по разнице давлений, которая была измерена до и после добавления N ₂. Образцы вводили в день их получения в ГХ, оборудованном пламенно-ионизационным детектором (ПИД) (Agilent Technologies, система ГХ 7890 A). Концентрации CH ₄ и CO ₂ в поровой воде отложений были рассчитаны в соответствии с законом идеального газа и законом Генри, где коэффициенты растворимости CH ₄ в воде при различных температурах были получены из Wiesenburg and Guinasso Jr ²⁷, а коэффициенты для CO ₂ были получены из Weiss ²⁸.
В конце эксперимента, после того, как было выполнено последнее измерение CH ₄, осадок был извлечен из пробирок с сывороткой. Осадок реплик объединяли, перемешивали и сушили в печи при 60 ° C; мы решили объединить реплики, поскольку не было обнаружено значительных различий в их образовании CH ₄.
Содержание общего C (TC) и общего N (TN) в осадке измеряли в каждом образце в начале и в конце инкубации с помощью элементного анализатора Costech.Мы не обнаружили значительного вклада неорганического углерода в наши образцы.
Анализ данных и расчеты
Скорости образования CH ₄ и CO ₂ были получены по разнице в концентрации CH ₄ между двумя измерениями и разделены временным интервалом. Полученные скорости представляют собой чистые скорости образования CH ₄, включая как добычу, так и любое потенциальное потребление CH ₄ (например, за счет анаэробного окисления CH ₄ ^29,30) в отложениях.
Возраст отдельных слоев отложений оценивался по средней многолетней скорости седиментации, которую можно точно рассчитать, исходя из толщины наносов, и времени, прошедшего с момента закрытия плотины, по формуле:
$$ sample \, age = \ frac {осадок \, слой \, глубина} {общий \, осадок \, глубина} \ ast резервуар \, возраст + инкубация \, длина $$
(1)
где глубина слоя отложений — это средняя глубина среза, общая глубина отложений — это глубина между поверхностью отложений и глубиной границы раздела между почвой до затопления и отложениями водохранилища.Возраст коллектора — это время с момента перекрытия в день отбора проб, а продолжительность инкубации — это время между отбором проб отложений и днем, когда была получена скорость образования CH ₄. Таким образом, возраст осадка здесь представляет собой меру времени с момента осаждения отложений (а не с момента фиксации ОВ посредством фотосинтеза или с момента образования отложений в водной системе) при условии постоянной скорости осаждения. Мы признаем, что скорость осаждения, вероятно, меняется от года к году, например из-за экстремальных гидрологических явлений, что добавляет неопределенности в оценку возраста отдельных слоев отложений.Однако, поскольку нет оснований предполагать какое-либо систематическое изменение скорости седиментации в зависимости от возраста резервуара, неопределенность в оценке возраста отдельных слоев отложений вряд ли будет подвержена какой-либо систематической погрешности, и поэтому считается, что она добавляет случайную ошибку в оценки возраста. .
Поскольку содержание TC и TN измерялось только в начале и в конце эксперимента, мы предположили линейное изменение TC и TN в ходе эксперимента для оценки TC и TN при каждом измерении CH ₄.Хотя было показано, что уменьшение TC и TN донных отложений является экспоненциальным в течение нескольких лет-десятилетий ³¹, линейная аппроксимация уменьшения TC и TN с течением времени является разумной для относительно коротких временных масштабов, используемых в этом эксперименте. Соответственно, когда мы сравнили линейное уменьшение TN с экспоненциальным уменьшением TN, смоделированное с использованием скорости распада TN 0,16 года ^-1, приведенной Gälman и др. . ³¹, разница между оценками TN в любой момент времени была <0.002% TN, то есть потенциальная ошибка предположения о линейности ниже аналитической точности (данные не показаны). Поскольку N предпочтительно теряется по сравнению с C во время разложения органического вещества донных отложений ³¹, влияние подхода интерполяции на расчетную TC будет даже меньше, чем для TN.
В некоторых пробах самых глубоких слоев отложений, которые имели самые низкие скорости образования CH ₄, первые 1-2 измерения были исключены из-за возможного загрязнения кислородом во время пробоподготовки, что задерживало установление метаногенных условий (низкая микробная активность в старых осадок задерживает потребление остаточного кислорода).
Для оценки скорости образования отложений CH ₄ в течение срока службы коллектора мы применили модель экспоненциального распада с 3 пулами ОВ разной реактивности с керном в качестве фактора (gnls (CH ₄ ~ a * exp (−b * Age) + c) ^32,33. Значимость параметров модели оценивалась с помощью функции ANOVA, а качество модели проверялось визуальным анализом остатков и прогнозировалось по результатам измерений. Мы также протестировали другие нелинейные модели ( модель экспоненциального распада с двумя пулами ОВ и модель континуума реактивности), но они не сходились.
На основе моделей экспоненциального распада мы определили «переходный возраст», после которого микробная деградация ОВ не является количественно значимой для постоянного запаса ОК, но на низком фоновом уровне, то есть возраст, после которого ОВ отложения может считаться «захороненным» даже хотя микробная активность не прекращается полностью. Для моделирования образования отложений CH ₄ в течение типичного срока службы резервуаров (100 лет) и для оценки «переходного возраста» к низкофоновому образованию CH ₄ мы использовали модели экспоненциального распада (описанные выше).Мы определяем переходный возраст как возраст, при котором наклон смоделированной кривой составляет 179 °, то есть почти плоский и неотличимый от 180 °, и, таким образом, свидетельствует о постоянно низкой фоновой скорости образования CH ₄, которая больше не меняется. время (дополнительный рис. 4). Затем мы интегрировали пласт CH ₄ за предполагаемый типичный срок службы коллектора в 100 лет с учетом ежегодного увеличения толщины отложений и рассчитали общее количество CH ₄, которое будет образовываться в каждом слое керна отложений за 100 лет.Мы рассчитали среднее значение и стандартное отклонение CH ₄, образовавшееся для каждого отобранного керна осадка отдельно.
Влияние возраста образца и TN на скорость образования CH ₄ было смоделировано с помощью линейной модели в R (lm), включая взаимодействие между возрастом и TN ( lm (ln (CH ₄ ) ~ ln) (Возраст) * TN ). В модели CH _{4 использовалась скорость образования} на сухой вес осадка (мкмоль г (dw) ⁻¹ d ⁻¹), поскольку TC и TN зависят друг от друга. .Скорости образования CH ₄ и возраст выборки были преобразованы в ln. Допущения модели были проверены с помощью графиков остатков модели.
Корреляция между переходным возрастом и отношением C: N была проверена с помощью корреляции Пирсона. Различие между свежим и старым осадком образования CH ₄ проверяли с помощью дисперсионного анализа с повторными измерениями. Оба допущения модели были проверены с помощью графиков остатков модели. Мы использовали R (R 3.4.3 ³⁴) для анализа данных, моделирования и построения графиков.
Простите! Проблема с метаном
Когда дело доходит до парниковых газов, заголовки, как правило, сосредотачиваются на двуокиси углерода (CO ₂). Тем не менее, есть еще один газ, который, несмотря на относительно низкий уровень публичности, играет ключевую роль в изменении климата. Метан (CH ₄) является причиной примерно одной пятой усиленного парникового эффекта. Несмотря на то, что метан широко распространен в атмосфере, о метане еще много неизвестно, и ученые не всегда соглашаются с тем, что влияет на его уровни в атмосфере.
Что такое метан?
Метан легче воздуха, бесцветен и, несмотря на то, что вы думаете, учитывая, что животные его отрыгивают, не имеет запаха. Это поистине универсальный газ: он естественным образом встречается в окружающей среде, вырабатывается животными и может выделяться в результате человеческой деятельности, такой как сельское хозяйство, производство ископаемого топлива и гниющие свалки.
Химически метан представляет собой соединение, состоящее из одного атома углерода и четырех атомов водорода (CH ₄). Это основной компонент природного газа.
Молекулы метана (CH ₄) имеют четыре атома водорода и центральный атом углерода.
Метан в атмосфере
В атмосфере Земли CO ₂ намного больше, чем метана.Однако потенциал глобального потепления (ПГП) метана — его потенциал потепления по сравнению с CO ₂ — составляет около 30. Это означает, что он в 30 раз эффективнее удерживает тепло в атмосфере, чем CO ₂ за 100-летний период. Таким образом, за 100 лет добавление одной молекулы метана в атмосферу будет иметь тот же эффект, что и добавление 30 молекул CO ₂.
Увеличение или уменьшение концентрации метана в атмосфере зависит от баланса между человеческими и природными источниками, с одной стороны, и натуральные раковины с другой.
В то время как для CO ₂ этот баланс был положительным в течение многих десятилетий, вызывая неумолимый рост, история с метаном более сложна.
Атмосферные концентрации углекислого газа, метана и закиси азота в атмосфере резко возросли после начала промышленной деятельности человека. Источник: Межправительственная группа экспертов по изменению климата.
После промышленной революции (примерно с 1750 г.) количество метана в атмосфере увеличилось на 250%.Уровни метана в доиндустриальную эпоху составляли около 715 частей на миллиард (ppb). После неуклонного роста до 2000 года, концентрации стабилизировались, почти не увеличиваясь в период с 2000 по 2006 год, вероятно, из-за сокращения выбросов ископаемого топлива. Теперь они снова начали расти. Тропические водно-болотные угодья, Арктика вечная мерзлота и расширение мировой газовой промышленности — все были предложены как источники увеличения метана, но не было окончательно идентифицировано ни одной причины.
В 2014 году атмосферный метан составлял около 1800 частей на миллиард. Образцы керна льда показывают, что нынешние уровни являются самыми высокими за последние 650 000 лет.
К счастью, метан задерживается в атмосфере всего около 10 лет по сравнению с 200 годами для CO ₂. Хотя это звучит как хорошая новость, метан в конечном итоге превращается в CO ₂, поэтому в конечном итоге просто добавляет в атмосферу больше CO ₂. Сокращение выбросов метана является заманчивой целью для борьбы с изменением климата, но, как и CO ₂, контроль атмосферного метана является сложной задачей.
Наши производственные процессы выбрасывают в атмосферу метан, но это не единственный источник этого парникового газа. Источник изображения: Thomas Hawk / Flickr.
Источники метана
Метан может поступать из многих источников. Он вырабатывается естественным образом в окружающей среде, животными и в результате деятельности человека.
Рассмотрим подробнее.
Природные источники
Самым известным природным источником метана являются водно-болотные угодья, отсюда и название «болотный газ». Он образуется, когда растения и другие органические вещества разлагаются в отсутствие кислорода (анаэробно), например, когда они находятся под водой. Это анаэробное разложение микроорганизмами (называемыми метаногенами) происходит на заболоченных территориях, болотах и болотах и, по оценкам, производит до 70 процентов природного метана в атмосфере. Максимальное производство метана наблюдается при температурах от 37 до 45 ° C, а это означает, что повышение глобальной температуры может также увеличить производство метана на водно-болотных угодьях.
На наши океаны приходится примерно 2 процента мировых выбросов метана. Метан вырабатывается некоторыми типами микробов, которые живут в пищеварительном тракте (а затем в фекальных гранулах) зоопланктона, обитающего в океане.
Еще один источник метана, вызывающий беспокойство, — это огромное количество метана, запертое под океанами и в вечной мерзлоте Арктики. При очень низких температурах и / или высоких давлениях газообразный метан соединяется с водой с образованием твердой структуры, известной как клатрат метана (также известный как гидрат метана, лед метана или гидрат природного газа).Метан удерживается внутри кристаллической структуры замороженной воды.

Этот «замороженный» метан под землей не проблема — если он остается там в ловушке. В условиях низкой температуры и / или высокого давления клатраты метана остаются стабильными. Однако из-за деятельности человека глобальные температуры быстро меняются, вызывая таяние вечной мерзлоты и нагревание океанов. Это будет медленный процесс, но, как только он начнется, его будет трудно остановить, и он может привести к выбросу огромного количества метана в атмосферу.
Недавно были обнаружены высокие концентрации метана в атмосфере Аляски, и в 2014 году в Сибири и на вечной мерзлоте на севере России был обнаружен ряд загадочных кратеров. Хотя точная причина появления кратеров окончательно не доказана, одна из теорий состоит в том, что повышение температуры из-за изменения климата высвободило метан, застрявший в вечной мерзлоте, что привело к своего рода взрыву мини-вулкана, который оставляет после себя гигантские кратеры, высвобождая тонн метана в воздух.
Другая теория предполагает, что кратеры образовались в результате быстрого таяния ледяных кернов, называемых пинго. Пинго, также известный как гидролакколит, представляет собой «пробку» льда, которая развивается на поверхности с небольшой насыпью или холмом земли на вершине. Они могут достигать 70 м в высоту и 600 м в диаметре. Если ледяная пробка быстро тает, это может вызвать обрушение земли, что приведет к образованию кратера. Однако эта теория не объясняет выброшенные породы и свидетельства взрыва, окружающие кратеры.Вместо этого могло случиться так, что кратеры образовались из-за накопленного природного газа, который внезапно высвободился из вечной мерзлоты из-за таяния пинго. Кэролайн Руппел, руководитель проекта газовых гидратов Геологической службы США, поддерживает теорию пинго по поводу выбросов метана. Она отметила, что «типовые гидраты метана в вечной мерзлоте обычно нестабильны на глубине более 200 метров. Кратеры намного мельче, поэтому использование диссоциации гидрата метана, вероятно, маловероятно »(источник: EarthSky).
Наблюдения не ведутся достаточно далеко, чтобы сказать, являются ли эти кратеры новым явлением, но за ними внимательно наблюдают, и исследования продолжают определять их причину и частоту.
Клатраты океана
Хотя уровни метана в атмосфере вызывают беспокойство, некоторые исследователи полагают, что реальной угрозой является метан, застрявший в наших океанах.
Помимо метана, который существует под вечной мерзлотой на суше в полярных регионах, существуют огромные запасы в донных отложениях океана в виде гидратов метана.Здесь каждая молекула метана окружена «клеткой» из кристаллов воды, поэтому в основном они заключены в лед. Несмотря на высокое давление в глубинах океана, они могут существовать при температурах значительно выше нуля градусов по Цельсию. Эти гидраты, или клатраты, являются крупнейшими запасами метана в мире и, по некоторым оценкам, составляют более половины всех ископаемых видов топлива.
Огромные запасы гидратов метана под океанами представляют собой молекулы метана, заключенные в клетки с кристаллами воды.
Обеспокоенность заключается в том, что повышение температуры моря приведет к таянию гидратов и приведет к массовым выбросам метана. Это может уступить место циклу, в котором выделяющийся газ приводит к большему нагреванию, вызывая плавление большего количества гидратов и выделение еще большего количества метана. Это так называемая «гипотеза клатратной пушки», которая была выдвинута для объяснения массового исчезновения морской и наземной жизни в пермскую эпоху около 250 миллионов лет назад.
Для некоторых людей такой сценарий является предметом научной фантастики, а гипотеза клатратного оружия уже упоминалась в нескольких романах.
Но клатратная пушка может и не выстрелить — по крайней мере, пока. Недавние новаторские исследования с участием австралийских ученых помогли развеять подобные опасения. В исследовании участвовали ученые из CSIRO и Австралийской организации ядерной науки и технологий (ANSTO), а также исследователи из Дании, Новой Зеландии и США. Они использовали масс-спектрометрию на ускорителе и датирование углерода, чтобы проанализировать метан, захваченный пузырьками в ледяных кернах из Гренландии. Ледяные керны датируются концом периода позднего дриаса, известного как Большое Морозо, около 12 000 лет назад, когда уровень метана в мире увеличился на 50 процентов.
Хорошая новость заключается в том, что исследование показало, что значительное увеличение метана произошло из-за водно-болотных угодий, а не гидратов под океаном. Это обнадеживает, поскольку предполагает, что источник клатратов менее уязвим, чем предполагалось в последнее время.

От гигантских кратеров до крошечных насекомых, метан также вырабатывается в кишечнике термитов. На это приходится около 5 процентов мировых выбросов.
Метан от деятельности человека
Выбросы метана в результате деятельности человека в настоящее время составляют около 320 миллионов тонн в год, что намного превышает уровни из естественных источников (250 миллионов тонн).
Отрасли производства ископаемого топлива вносят основной вклад в глобальные выбросы метана. Метан выбрасывается в атмосферу при добыче ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и газ, а также из трубопроводов природного газа.
Метан также производится на свалках или свалках, поскольку органический мусор разлагается под землей в отсутствие кислорода.
Метан образуется на свалках при разложении мусора под землей. Источник изображения: United Nations Photo / Flickr.
Аналогичным образом метан может образовываться в бескислородных системах, связанных с обработкой навоза или сточных вод. Но вместо того, чтобы выбрасывать его в атмосферу, этот метан можно найти с пользой. В Мельбурне, например, очистные сооружения в Вериби собирают метан из своих прудов. Некоторые пруды собирают до 20 000 кубометров метана в день, который затем используется для выработки электроэнергии для работы очистных сооружений.
В наших домах довольно часто встречается метан — природный газ, которым многие из нас готовят и обогревают дома, на 85% состоит из метана.
В сельской местности метан также образуется в результате сжигания биомассы, такой как сельскохозяйственные отходы, луга и леса (для расчистки земель). Рисовые поля, покрытые водой в течение нескольких месяцев в году, действуют как водно-болотные угодья и производят 10 процентов выбросов метана.
Животноводство
Отрыжка и метеоризм могут быть источником веселья для детей, но при массовом производстве скотом выделяемый ими метан может стать серьезной проблемой. Метан производится в процессе кишечной ферментации в пищеварительной системе домашних жвачных животных, таких как крупный рогатый скот, козы и овцы.Эти животные отрыгивают и, в меньшей степени, выбрасывают метан в атмосферу. Исследователи из крупнейшего исследовательского института короны Новой Зеландии, AGResearch, обнаружили, что независимо от того, на каком конце корова вырабатывается, каждая корова производит от 130 до 230 литров метана в день. Учитывая, что на планете более 1,3 миллиарда коров, это быстро складывается, поэтому неудивительно, что домашний скот является крупным источником метана, производящим около 28 процентов мировых выбросов.
Животноводство создает около 28% мировых выбросов метана из-за процессов, происходящих в пищеварительной системе жвачных животных, таких как крупный рогатый скот, козы и овцы.Источник изображения: JenniKate Wallace / Flickr.
Удаление метана
Удаление метана из атмосферы может осуществляться с помощью естественных процессов в окружающей среде, а также с помощью инноваций, созданных руками человека.
Мойки из природного метана
До промышленной революции глобальные уровни метана в течение долгого времени были относительно стабильными, поскольку общее количество производимого метана компенсировалось естественными методами удаления метана, известными как «стоки» метана.Выбросы метана в настоящее время превысили объемы удаления примерно на 22 мегатонны (Мт) в год.
Самым важным поглотителем метана является тропосфера (самый низкий уровень атмосферы Земли). Здесь гидроксильный радикал (ОН) действует как «очищающий» агент посредством реакции с метаном и другими газами, эффективно удаляя их из атмосферы. Это тропосферное окисление удаляет более 500 Мт метана в год.
Меньшие количества метана (40 Мт) также удаляются из следующего слоя атмосферы — стратосферы — снова из-за реакций с ОН.
Наша атмосфера естественным образом удаляет метан посредством химических процессов, но этого недостаточно для поддержания стабильного уровня. Источник изображения: Shemsu.Hor / Flickr.
Некоторые микроорганизмы (метанотрофы), встречающиеся в почвах, используют метан в качестве источника углерода, удаляя около 30 Мт метана ежегодно.
Использование науки для снижения уровня метана
Хотя в природной среде есть свои механизмы удаления метана из атмосферы, достижения науки и техники также помогают нам сыграть свою роль.
Поиск различных способов выращивания риса — например, выращивание сухого риса — или создание более продуктивных сортов риса может быть более эффективным методом снижения уровня метана.
Рисовые поля и домашний скот являются одними из крупнейших источников выбросов метана. У нас есть возможность изменить нашу практику и сократить выбросы. Источник изображения: Pockafwye / Flickr.
С растущим населением, нуждающимся в мясе, молоке, шерсти и всех других ресурсах, которые дают нам сельскохозяйственные животные, мало шансов резко сократить количество жвачных животных на планете, если мы не найдем альтернативные источники животного белка или все вдруг решат стать веганом — маловероятный сценарий.
Однако австралийские ученые занимаются проблемой выбросов домашнего скота. В начале 2009 года правительство Австралии выделило почти 27 миллионов долларов на исследование способов сокращения выбросов метана и других парниковых газов в сельском хозяйстве. В исследовании участвуют 18 проектов, в том числе выборочное разведение скота, производящего меньше метана; сокращение выбросов метана за счет устранения некоторых кишечных микробов домашнего скота; и сокращение выбросов метана за счет изменения рациона домашнего скота.
Technology также означает, что нам не нужно выбрасывать наши «отходы».Поскольку метан можно использовать в качестве топлива, существует несколько возможностей для рециркуляции газа и использования его в качестве источника энергии. Хотя при этом может образовываться углекислый газ, общий вклад в изменение климата будет меньше, чем если бы метан не использовался. В течение многих лет метан, образующийся при разложении веществ на некоторых свалках или свалках, использовался в качестве источника газа и использовался для производства электроэнергии, обогрева зданий и транспортных средств.
В Соединенных Штатах уже реализовано более 500 проектов по переработке мусора на свалки, в то время как Германия, всегда являвшаяся лидером в области возобновляемых технологий, производила достаточно электроэнергии из биогаз в 2009 г. к власти более 3.5 миллионов домов. С 2005 года Швеция использует эту технологию для приведения в действие поезда, курсирующего между двумя городами на расстоянии более 120 км друг от друга.
Если в некоторых местах невозможно использовать метан, образующийся на свалках, в Австралии исследуют другое решение — в первую очередь остановить его образование. Один из способов предотвратить образование метана на свалках — это закрыть площадку, чтобы дождь не проникал в землю. Австралийские ученые сейчас пытаются снизить уровень метана на свалках, выращивая на их поверхности растения и деревья.Идея состоит в том, чтобы растения поглощали воду, которая в противном случае просачивалась бы вниз, и способствовали анаэробному разложению мусора, в результате которого образуется метан. Этот метод, известный как фитокэппинг, был успешно протестирован исследователями из Университета Центрального Квинсленда.
Улавливание и повторное использование метана — это коммерческая технология возобновляемых источников энергии, широко используемая в промышленности по очистке сточных вод. Упомянутые ранее очистные сооружения Верриби и такие фермы, как маслобойня Straus Family, которая использует метановый варочный котел для превращения коровьего навоза в энергию, являются доказательством того, что технологии улавливания и повторного использования жизнеспособны и эффективны.
Еще один способ снизить уровень метана — снизить выбросы от предприятий, производящих ископаемое топливо. Например, на некоторых угольных шахтах метан можно собирать для производства энергии — по сути, превращая отработанный газ в топливо.
Система улавливания метана в США, которая улавливает метан из угольной шахты и преобразует его в электричество. Источник изображения: Aspen Snowmass / Flickr.
Важно отметить, что теперь правительства признают роль метана как парникового газа. Метан был включен в схему торговли квотами на выбросы в Австралии и в текущий Фонд сокращения выбросов.Европейский Союз также стремится включить метан и другие парниковые газы в свою схему торговли выбросами.
Вывод
От коровьей отрыжки до разложения органических веществ и огромных хранилищ замороженных клатратов в океанах и вечной мерзлоте, метан повсеместно. Его эффективность как парникового газа делает его серьезным игроком, влияющим на то, как системы Земли реагируют на антропогенный выбросы парниковых газов.Поиск способов сокращения или повторного использования метана, производимого в результате деятельности человека, является важным шагом в управлении изменением климата.
человек — более крупный источник изменяющего климат метана, показывают новые исследования | Наука
Новое исследование предполагает, что древний метан — например, застрявший в озере на Аляске — не затопит атмосферу по мере потепления климата в ближайшие десятилетия.
Марк Тиссен / National Geographic
Автор Уоррен Корнуолл, 20 февраля 2020 г., 14:00
Когда дело доходит до прогноза глобального потепления, метан — непредсказуемая, угрожающая цифра. Парниковый газ в 28 раз сильнее улавливает тепло, чем углекислый газ, за 100-летний период. И по мере того, как планета нагревается, ученые опасаются, что огромные запасы газа будут выброшены из арктической вечной мерзлоты и глубокого океана, что приведет к еще большему нагреву планеты.
Данные двух новых исследований вселяют надежду: во-первых, быстрое высвобождение огромных количеств древнего метана маловероятно. Во-вторых, люди кажутся более значительным источником современных выбросов метана, чем считалось ранее, а это означает, что люди имеют больший контроль над тем, сколько выбросов попадает в атмосферу. «Это в целом обнадеживающие новости», — говорит Майкл Дионисиус, геохимик и аспирант Рочестерского университета (США), руководивший исследованием древнего метана.
Метан поступает из двух основных источников: биологического и геологического.Биологический метан может выделяться из гниющих растений и отрыжки коров, тогда как геологические источники включают естественные утечки из ископаемого топлива и утечки при добыче природного газа и угля. Молекулы метана в старых источниках ископаемого топлива почти не содержат углерода-14, радиоактивного изотопа углерода, созданного бомбардировкой космическими лучами.
Чтобы выяснить, мог ли всплеск старого метана спровоцировать древние приступы потепления, исследователи обратились к ледяным щитам в Антарктиде, которые удерживали пузырьки воздуха, включая небольшое количество метана, на протяжении десятков тысяч лет.Для получения образцов потребовалось много льда: Дионисиус и его коллеги пробурили 11 тонн ледника Тейлора в Антарктиде. Они растопили ледяные керны, откачивали газ и измеряли уровни метана углерода-14 с интервалами от 15000 до 8000 лет назад, когда Земля перешла от ледникового периода к климату на 0,5 ° C теплее, чем сегодня.
Это потепление не совпало с большим скачком содержания метана, обедненного углеродом-14, сообщают сегодня исследователи в журнале Science . Это говорит о том, что более высокие температуры не вызвали большого выброса метана из вечной мерзлоты или океана.«Это единственная климатическая катастрофа, которую мы можем предотвратить», — говорит Дионисиус о сценарии океана.
Во втором исследовании та же группа собирала лед в Гренландии, чтобы оценить, сколько современного атмосферного метана происходит из утечек при добыче и в трубопроводах, по сравнению с естественными геологическими просачиваниями из земли. Поскольку в обоих типах отсутствует углерод-14, ученые сравнили уровни метана, обедненного углеродом-14, с 1870-х годов с уровнями, когда эра ископаемого топлива была в самом разгаре — за десятилетия до 1940-х годов.(Более поздних лет удалось избежать, потому что они искажены испытаниями ядерного оружия, которые повышают уровень углерода-14.)
Данные показывают, что в 1870-х годах уровни метана, обедненного углеродом-14, были намного ниже. Это означает, что современные геологические источники метана намного меньше, чем предполагалось ранее, и что большой скачок произошел от людей, сообщают на этой неделе в журнале Nature . По их оценкам, ежегодные геологические выбросы метана составляют около 1,6 миллиона тонн, что значительно ниже недавних оценок, составляющих от 30 до 60 миллионов тонн в год.(Выбросы метана из всех источников составляют около 570 миллионов тонн в год.)
Новые открытия встречают некоторое сопротивление. Джузеппе Этиоп, геохимик, расчеты которого оспариваются в новой статье, задается вопросом, почему геологические выбросы могут быть такими низкими. Одно недавнее исследование, например, предполагает, что 3 миллиона тонн метана ежегодно поднимаются только из одной части Северного Ледовитого океана. «Это научная головоломка», — говорит Этиоп из Национального института геофизики и вулканологии Италии.«Если они правы, многие другие ошибаются».
У Кэти Уолтер Энтони, водного эколога из Университета Аляски в Фэрбенксе, изучающей метан из озер, образовавшихся в результате таяния вечной мерзлоты, есть вопросы по поводу исследования в Гренландии, но она также не нашла недостатков в методе команды U of R. «Я думаю, что должно произойти, что нам всем нужно собраться вместе, стать очень уязвимыми и сказать:« Где я могу ошибиться? »- говорит она.
Исследование выбросов метана в древности, с другой стороны, согласуется с ее исследованием, которое показывает, что вечномерзлые озера не выделяли огромное количество метана, когда планета вышла из последнего ледникового периода.По ее словам, сейчас опасность заключается в том, что к концу этого столетия температура может подняться на несколько градусов выше, чем во время предыдущего потепления.
No related posts.